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Valorización de amonio de aguas residuales urbanas como
fertilizante líquido utilizando contactores de membrana de fibra hueca Pág. 1
Resumen
El concepto de Estación Depuradora de Aguas Residuales (EDAR) ha evolucionado en los
últimos años hacia una instalación más eficiente y que cada vez más se encamina a un
diagrama de flujo basado en la recuperación de recursos. Actualmente las EDAR
convencionales carecen de un rendimiento óptimo, especialmente en cuanto a consumo de
energía y a la recuperación de nutrientes.
En este contexto se desarrolla el proyecto Life Necovery financiado por la Unión Europea
con el fin de desarrollar un diagrama de flujo innovador para estaciones depuradoras que
contribuya en la aplicación, actualización y desarrollo de la política ambiental de la Unión
Europea entorno al concepto de la EDAR del siglo XXI transformando una planta
consumidora de energía en una planta de recuperación de recursos.
En concordancia con esta investigación, este trabajo pretende aportar su grano de arena en
la última etapa de este proyecto europeo con la producción de fertilizantes líquidos con la
máxima concentración de nitrógeno para valorizar del amonio recuperado en los procesos
utilizados en las EDARs.
Con ese fin se simularon disoluciones provenientes de la elución de las zeolitas cargadas de
amonio con el objetivo de recuperar el amonio mediante la tecnología de los contactores
líquido-líquido de membrana de fibra hueca. Obteniendo soluciones concentradas de nitrato
de amonio líquido: un fertilizante muy utilizado en agricultura.
En este trabajo se incluye tanto la información sobre los tipos y las composiciones a las que
se comercializan los diferentes tipos de fertilizantes como la descripción de la tecnología de
separación utilizada en la etapa experimental.
Además, se llevaron a cabo determinaciones sobre el transporte de vapor de agua y de
disolución que atraviesa la membrana, así como, el cálculo del coeficiente de transferencia
de masa para explicar el comportamiento del sistema. También, se desarrollaron diferentes
estudios sobre las condiciones y las variables significativas que se deben controlar para que
el proceso de recuperación de amonio sea eficiente.
Por último, se realizó una evaluación ambiental y económica de la experimentación a escala
de laboratorio y el análisis cualitativo de la aplicación del proceso a gran escala.
.
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Sumario
RESUMEN ___________________________________________________ 1
SUMARIO ____________________________________________________ 3
1. INTRODUCCIÓN __________________________________________ 7
1.1. Objetivos del proyecto .................................................................................... 8
1.2. Alcance del proyecto ...................................................................................... 8
2. VALORIZACIÓN DE AMONIO DE PLANTAS DE AGUAS
RESIDUALES COMO FERTILIZANTE LÍQUIDO _________________ 9
2.1. Amonio ........................................................................................................... 9
2.1.1. Equilibrio amonio-amoníaco .............................................................................. 9
2.2. Tratamientos convencionales en estaciones depuradoras de aguas
residuales ..................................................................................................... 10
2.2.1. Métodos de eliminación de nitrógeno .............................................................. 12
2.2.1.1. Nitrificación-desnitrificación .................................................................. 12
2.2.1.2. Absorción ............................................................................................. 13
2.2.1.3. Intercambio iónico ................................................................................ 13
2.2.1.4. Procesos de membrana ....................................................................... 15
2.3. Fertilizantes .................................................................................................. 16
2.3.1. Abonos orgánicos naturales ............................................................................ 16
2.3.2. Abonos inorgánicos o minerales ..................................................................... 16
2.3.2.1. Nitrato de amonio ................................................................................. 17
2.3.3. Tipos de fertilizantes según el estado físico .................................................... 18
2.3.3.1. Fertilizantes sólidos .............................................................................. 18
2.3.3.2. Fertilizantes líquidos ............................................................................. 19
3. TECNOLOGÍA DE CONTACTORES DE MEMBRANA DE FIBRA
HUECA _________________________________________________ 22
3.1. Descripción de la tecnología ........................................................................ 22
3.2. Proceso de transferencia de masa en el contactor de membrana ............... 24
3.2.1. Determinación de coeficientes individuales de transferencia de masa ........... 25
3.3. Efecto del pH y la viscosidad en la transferencia de masa .......................... 26
3.4. Modos de operación de los contactores de membrana ............................... 28
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4. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL ___________________________ 29
4.1. Materiales y métodos experimentales del sistema de concentración de
nitrato de amonio en circuito cerrado ........................................................... 29
4.2. Disoluciones de amoníaco y ácido nítrico .................................................... 31
4.3. Métodos analíticos ....................................................................................... 31
4.4. Mecanismos de recuperación y modelo de comportamiento del sistema de
concentración de nitrato de amonio en circuito cerrado .............................. 32
4.4.1. Balance de masa en el tanque de alimentación ............................................... 33
4.4.2. Balance de masa en el lado interior del contactor ............................................ 34
4.4.3. Condiciones de contorno ................................................................................. 35
4.5. Determinación del coeficiente de transferencia de masa del amoníaco ..... 38
4.6. Determinación de la eliminación de amoníaco ............................................ 39
4.7. Determinación de la concentración de nitrato de amonio ............................ 40
4.8. Determinación del transporte de vapor de agua a través de la membrana . 44
4.9. Determinación del transporte de disolución del tanque de alimentación ..... 46
5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN _______________________________ 48
5.1. Recuperación de amonio usando ácido nítrico como disolución extractora:
influencia del coeficiente de transferencia de masa .................................... 48
5.2. Recuperación de amonio en forma de fertilizante: Nitrato de amonio ......... 51
5.3. Determinación del efecto de las pérdidas del tanque de alimentación ........ 53
5.3.1. Cantidad de vapor de agua transportado ......................................................... 53
5.3.1.1. Análisis de sensibilidad de Km ............................................................. 56
5.3.2. Efecto de traspaso de disolución del tanque de alimentación .......................... 59
6. EVALUACIÓN DEL IMPACTO AMBIENTAL ____________________ 62
6.1. Evaluación del impacto ambiental a gran escala ......................................... 62
6.2. Generación de residuos a nivel experimental .............................................. 62
7. ESTUDIO DE COSTES DEL PROYECTO ______________________ 64
7.1. Costes de personal ...................................................................................... 64
7.2. Costes de material ....................................................................................... 64
7.3. Costes de consumo generales .................................................................... 65
CONCLUSIONES _____________________________________________ 67
AGRADECIMIENTOS __________________________________________ 68
BIBLIOGRAFÍA_______________________________________________ 69
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fertilizante líquido utilizando contactores de membrana de fibra hueca Pág. 5
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1. Introducción
El concepto de Estación Depuradora de Aguas Residuales (EDAR) ha evolucionado en los
últimos años hacia una planta más eficiente y que cada vez más se encamina a un
diagrama de flujo basado en la recuperación de recursos. Actualmente las EDAR
convencionales carecen de un rendimiento óptimo, especialmente en cuanto a consumo de
energía y a la recuperación de nutrientes. De hecho, se estima que en Europa Occidental
sólo el 20-25% de la energía consumida en los tratamientos de aguas residuales se
recupera por medio de la digestión anaeróbica. Por este motivo, diversas líneas de
investigación están abiertas en busca de una tecnología que permita ser eficiente
energéticamente y que permita la recuperación de nutrientes presentes en las diferentes
corrientes de una EDAR.
Life Necovery es uno de los proyectos implementados por el programa Life, instrumento
financiero de la Unión Europea para la conservación del medio ambiente y los ecosistemas
que, junto con el grupo de investigación SETRI del departamento de Ingeniería Química de
la UPC y CETaqua, tienen como objetivo fundamental demostrar experimentalmente a
escala de planta piloto, la viabilidad de un diseño de EDAR innovador (Figura 1.1) basado
en una etapa de pre-concentración en la entrada de la depuradora, la recuperación eficiente
de energía y recursos (nutrientes) y el potencial uso de estos como fertilizantes.
En concordancia con estas investigaciones, este trabajo pretende aportar su grano de arena
a un proceso que en un futuro contribuirá en la aplicación, actualización y desarrollo de la
política ambiental de la Unión Europea entorno a la EDAR del futuro basada en la
recuperación de recursos.
Figura 1.1 Diagrama de flujo de la tecnología implementada por Life Necovery.[1]
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1.1. Objetivos del proyecto
El objetivo principal de este trabajo es mejorar la última etapa del proyecto Life Necovery en
la producción de fertilizantes con la máxima concentración de nitrógeno para hacer del
producto obtenido mediante la tecnología de contactores líquido-líquido un producto de
interés para las empresas que comercializan fertilizantes líquidos.
Para ello, se simularon disoluciones parecidas a las provenientes de la elución de las
zeolitas utilizadas en la etapa de adsorción (Zeolite column A y B, en la Figura 1.1) y con el
uso de los contactores de líquidos recuperar el amonio mediante ácido nítrico y revalorizarlo
en forma de uno de los fertilizantes más utilizados en el sector agrícola como es el nitrato de
amonio líquido.
1.2. Alcance del proyecto
El alcance de este proyecto se engloba en la fase experimental a escala de laboratorio así,
los resultados obtenidos quedan limitados a la corroboración de la metodología con la
utilización de aguas reales provenientes de corrientes de regeneración de zeolitas cargadas
de amonio. Por tanto, el estudio de los costes a gran escala y su impacto ambiental se
realizaron a nivel cualitativo.
Una posible línea de investigación podría incluir un estudio de la viabilidad de este método
con un sistema piloto con simulaciones más cercanas a la realidad.
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2. Valorización de amonio de plantas de aguas residuales como fertilizante líquido
2.1. Amonio
El amonio es un catión poliatómico, formado por nitrógeno y oxígeno, cargado positivamente
y de fórmula química NH4+. El peso molecular es de 18,04 g/mol y se forma mediante la
protonación del amoníaco NH3. Esta sustancia, presente en el proceso de la regeneración
de las zeolitas, se separará mediante contactores de membrana de fibra hueca para la
producción de fertilizantes líquidos.
2.1.1. Equilibrio amonio-amoníaco
El par ácido-base amonio-amoníaco es un equilibrio de carácter débil. En disolución la
especie ácida, el amonio, reacciona cediendo un protón (H+) a la solución y, en cambio, su
base conjugada, el amoníaco, lo capta como se puede observar en la Ecuación 2.1. �+ � + �+ Ecuación 2.1
A partir de la Figura 2.1, que contrapone la fracción de amonio-amoníaco en disolución en
función del pH, se pueden apreciar las zonas de predominio de ambas especies gracias al
pka de este par ácido-base.
Figura 2.1 Diagrama de fracciones del sistema NH4+(línea azul) y NH3(línea roja) [2].
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Este valor también se puede calcular a partir de la constante de acidez del equilibrio con la
Ecuación 2.2. � = − � = [ � ]+[�+][ �+] Ecuación 2.2
Siendo:
Ka: la constante de acidez del amonio.
[NH3]: la concentración de amoníaco [mol/L].
[H+]: la concentración de protones [mol/L].
[NH4+]: la concentración de amonio [mol/L].
A temperatura ambiente el pka es igual a 9,3, de esta forma, a rangos de pH superiores a
este valor la especie predominante es la base, el amoníaco, y de la misma manera, para
rangos inferiores a este valor la especie predominante es el ácido, el amonio.
Para asegurar que hay un completo desplazamiento del equilibrio se deberá llevar la
disolución a pH por encima de 12 si se quiere solamente la presencia de amoníaco y por
debajo de 7 si únicamente se quiere la presencia de amonio.
Además del equilibrio ácido-base, en las disoluciones amoniacales se establece un equilibrio
líquido-gas debido a la disolución de amoníaco gas en agua. Este fenómeno está descrito
por la Ley de Henry Ecuación 2.3: [ � ]� = � · � Ecuación 2.3
Siendo:
H: la constante de Henry para el sistema amoníaco-agua [mol/(Pa m3)].
pNH3: la presión parcial de amoníaco gas en contacto con agua [Pa].
2.2. Tratamientos convencionales en estaciones depuradoras
de aguas residuales
Una estación depuradora de aguas residuales (EDAR) tiene como objetivo básico conseguir,
a partir de aguas contaminadas, un efluente que cumpla con los límites de calidad exigidos
por la legislación para poder verterla al medio natural. Mediante diferentes procedimientos
físicos, químicos y biológicos convencionales se eliminan los contaminantes presentes en el
corriente de entrada de la EDAR (Tabla 1) y como se puede observar en la Figura 2.2.
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Tabla 1 Conjunto de tratamientos que se pueden realizar en estaciones depuradoras
[3].
Figura 2.2 Esquema básico de una estación depuradora de aguas residuales.
Fuente: Modificada de [4].
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El nitrógeno presente en el medio acuático puede existir en cuatro formas diferentes:
nitrógeno orgánico, nitrógeno amoniacal, nitritos y nitratos. En un agua residual sin tratar
están presentes las dos primeras.
El exceso de nutrientes, nitrógeno y fósforo, en el agua provoca un gran crecimiento en
plantas y otros organismos. Cuando mueren, se pudren y llenan el agua de malos olores y le
dan un aspecto nauseabundo. Durante su crecimiento y su putrefacción, consumen una
gran cantidad del oxígeno disuelto, disminuyendo la calidad, y dando a las aguas un
carácter de no aptas para ningún uso. El resultado final es un ecosistema casi destruido.
Este fenómeno se le conoce como eutrofización.
Por otra parte, el nitrógeno está contemplado por la Directiva Europea como sustancia que
en ciertas condiciones puede ser perjudicial para la vida de peces y mamíferos. De esta
manera, se establecen los parámetros de calidad de agua orientativa y máxima de los
diferentes compuestos nitrogenados, tal como aparece en la Tabla 2 [5].
Tabla 2. Concentraciones orientativas y máximas de nitritos, amoníaco y nitratos [5].
Sustancia Concentración orientativa
de calidad [ppm]
Concentración máxima
[ppm]
Nitritos 0,2 0,5
Amoníaco 0,05 0,5
Nitratos 25 50
Por tanto, la eliminación de estas sustancias es primordial para poder reutilizar estas aguas
de nuevo.
2.2.1. Métodos de eliminación de nitrógeno
La eliminación del nitrógeno del agua tiene lugar esencialmente en el tratamiento terciario y
puede llevarse a cabo mediante métodos diversos.
2.2.1.1. Nitrificación-desnitrificación
Este mecanismo de eliminación de nitrógeno es de tipo microbiano y consiste en primer
lugar en una nitrificación y posteriormente en una desnitrificación. El proceso de nitrificación
la realizan bacterias específicas convirtiendo el amonio en nitrato a partir de diferentes
reacciones en presencia de oxígeno como se indica en las Ecuación 2.4-2.6.
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�+ + ⁄ → − + �+ + � Ecuación 2.4
+ + ⁄ → − Ecuación 2.5 �+ + → − + �+ + � Ecuación 2.6
La desnitrificación convierte, en condiciones anóxicas, los nitratos provenientes de la
nitrificación y los presentes en el agua residual en nitrógeno gas consiguiendo su
eliminación Ecuación 2.7. − + � � → + + � + �− Ecuación 2.7
Como se puede observar en la Ecuación 2.7 la materia orgánica presente en el agua a tratar
tiene un papel importante para la eliminación de nitrógeno. Tanto es así, que los procesos
de nitrificación-desnitrificación son adecuados cuando la materia orgánica se encuentra en
gran proporción respecto a la cantidad de nitrógeno y de otra manera habría que realizar un
aporte adicional en forma de metanol o ácido acético para poder completar el proceso
satisfactoriamente [6].
2.2.1.2. Absorción
La absorción es una operación físico-química en la que se transfiere materia entre una
corriente gaseosa y otra líquida en una torre o columna de absorción.
En una columna de absorción el corriente de gas entrante a la columna circula en
contracorriente con el líquido. El gas asciende como consecuencia de la diferencia de
presión entre la entrada y la salida de la columna. El contacto entre las dos fases produce la
transferencia del soluto de la fase con menor afinidad al corriente más afín. Es importante
que el contacto entre ambos corrientes sea el máximo posible y que, además, el tiempo de
residencia en la columna sea suficiente para obtener rendimientos de transferencia de masa
óptimos. Por este motivo, se acostumbra a utilizar torres de relleno para favorecer el
contacto entre ambas fases.
En el caso del sistema de aguas amoniacales es necesario que las condiciones en las que
se encuentre sean suficientemente básicas, como se comentó anteriormente, ya que el
amonio debe presentarse en forma de amoníaco gas para que la transferencia de masa
tenga lugar hacia un corriente de aire o gas inerte.[7]
2.2.1.3. Intercambio iónico
El intercambio iónico es una operación unitaria basada en la transferencia de materia fluido-
partícula y tiene como objetivo la separación de uno o más iones de la fase fluida al sólido
por intercambio o desplazamiento de iones de la misma carga. La eficacia del proceso
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depende del equilibrio sólido-fluido, de la capacidad de intercambio del sólido y de la
velocidad de transferencia de materia.
El fenómeno en que se sustenta este intercambio es la adsorción, que es un proceso de
separación de un soluto de una fase fluida hacia la superficie de un sólido adsorbente. La
reacción que se produce en la superficie del sólido o en sus poros es la Ecuación 2.8. − + � − + � Ecuación 2.8
Siendo:
R: el sustrato sólido.
A: el ion inicialmente enlazado con R.
B: el ion a eliminar de la fase acuosa.
Las reacciones de intercambio iónico siguen una cinética en la que la velocidad de
adsorción se reduce a medida que los sites libres son ocupados por el ion a captar en la
fase acuosa, hasta llegar a un estado de equilibrio. Posteriormente es necesaria una etapa
de regeneración para recuperar la capacidad de adsorción del adsorbente.
Los sólidos habitualmente utilizados son las zeolitas y las partículas basadas en resinas
sintéticas de tipo polimérico. Las zeolitas son aluminosilicatos hidratados compuestos por
una estructura cristalina, formada por una gran cantidad de canales, idónea para el
intercambio de iones. Estos canales son de diámetro aproximado entre 0,5 y 0,7 nm, sólo un
poco más grandes que el diámetro de las moléculas de agua, aportando una propiedad
denominada micro-porosidad. Además, existe un número de poros más grandes que
aportan la propiedad de meso-porosidad.
Estas características hacen de las zeolitas un material compatible con la extracción de iones
de las aguas residuales. Además, las zeolitas pueden tener morfologías muy distintas y ser
más selectivas a unos u otros iones, como en el caso del amonio, metales pesados y otros
iones tales como Ca2+ y Mg2+. Para el proceso discontinuo de la recuperación de amonio
mediante zeolitas se utiliza el tratamiento de regeneración con sales sódicas, como el NaCl,
para sustituir el NH4+ por Na+ [2].
En este proyecto se tratará de recuperar el amonio de los efluentes de regeneración de las
zeolitas con un contactor de membrana de fibras huecas y ácido nítrico como disolución
extractora, obteniendo así, nitrato amónico: sustancia con la que se podrá dar un valor
añadido como fertilizante.
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2.2.1.4. Procesos de membrana
Los sistemas de membrana para el tratamiento de agua originalmente se aplicaron
únicamente en proyectos de desalinización. Pero las mejoras en el campo de los materiales
y las tecnologías de membrana los han convertido en una opción cada vez más popular
para la eliminación de microorganismos, partículas y materiales orgánicos naturales, entre
otras sustancias que afectan a su calidad.
Las membranas para el tratamiento del agua son láminas delgadas de un material que
permite el transporte selectivo de materia entre las dos fases, es decir, permite la separación
de los contaminantes según sus características. Hay una gran variedad de materiales con
los que se fabrican las membranas pero generalmente están compuestos por materiales
poliméricos, cerámicos e incluso por materiales en estado líquido [8].
El esquema para la clasificación los diferentes procesos de membrana desarrollándose en
función de la fuerza impulsora que favorece el transporte a través de la membrana se puede
observar en la Figura 2.3. [9]
Figura 2.3. Clasificación de los procesos de membrana según la fuerza impulsora.
Fuente: modificada de [6].
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2.3. Fertilizantes
Los fertilizantes son sustancias orgánicas o inorgánicas que contienen uno o varios
elementos químicos indispensables para el crecimiento de los vegetales, y que, adicionadas
al suelo, lo compensa de les deficiencias que pueda tener de estos elementos. Los abonos,
por tanto, aumentan la fertilidad de un terreno y mejora la productividad de los conreos.
Para la vida y desarrollo de vegetales son necesarios una serie de elementos químicos
denominados nutrientes. En la mayoría de casos no es necesario realizar un aporte
suplementario ya que o se requieren en pequeñas cantidades como en el caso del B, Cu,
Fe, Mn, Mo y Zn o se encuentran en el suelo en suficientes proporciones como en el caso
del Ca, Mg, y S. Sin embargo, los macronutrientes son sustancias que participan
activamente en la fotosíntesis y se necesitan en grandes cantidades. Estos nutrientes son el
Nitrógeno (N), el Fósforo (P) y el potasio (K) y éstos no se encuentran en los abonos
naturales en las cantidades requeridas.
Por tanto, los macronutrientes hay que incorporarlos al medio con la composición química
correcta y en la forma más adecuada para su asimilación por las plantas. De este proceso
se encarga la industria química proporcionando fertilizantes químicos [10].
2.3.1. Abonos orgánicos naturales
Este tipo de abonos son conocidos desde la antigüedad y son los que provienen de restos
de seres vivos y sirven para aportar nutrientes a las plantas conreadas. Pueden ser de
origen animal, vegetal o mixto como por ejemplo los excrementos de animales, purines,
restos vegetales, etc. Es necesario que pasen por una fase previa de mineralización para
que los elementos necesarios para las plantas que contienen puedan solubilizarse en el
suelo. En este complejo proceso interviene activamente la población bacteriana del suelo.
El rendimiento de estos fertilizantes es bajo a causa de la poca concentración de
macronutrientes que contienen, aun así, debido a su compleja composición consiguen ser
ventajosos al ser capaces de abastecer de muchos elementos secundarios, también útiles
para las plantas como en diversos activadores del crecimiento. Además, tienen la propiedad
de mejorar las condiciones del suelo y aumentan el poder de retención del agua [10].
2.3.2. Abonos inorgánicos o minerales
A partir del siglo XIX con las teorías de Liebig empiezan a utilizarse los abonos inorgánicos o
minerales, también conocidos como artificiales o químicos. El mundo de los fertilizantes
químicos constituye un sector de mucho peso en la actualidad social y económica. Sin estos
productos sería imposible satisfacer la demanda creciente de alimentos para una población
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mundial que cada día es más numerosa.
Son fertilizantes de acción directa ya que abastecen el suelo de sustancias directamente
asimilables por las plantas o, en su defecto, fácilmente transformables para la asimilación en
vegetales.
Los abonos simples son aquellos que solamente contienen un elemento químico que
interesa a las plantas. Hay de tres tipos: abonos minerales nitrogenados en forma de nitratos
o derivados amoniacales (urea), abonos minerales fosfatados en forma fosfatos o ácido
fosfórico i abonos minerales potásicos en forma de sulfatos o cloruro potásico.
La mezcla de dos o más abonos simples constituye un abono complejo que resuelve las
exigencias fertilizantes de un terreno si responde a una fórmula de abonamiento concreta.
A veces un sólo producto ya contiene más de un elemento fertilizante como, por ejemplo, el
nitrato o fosfato potásico o el fosfato diamónico. En ese caso, esa propiedad lo convierte en
abono compuesto y éstos tienen la proporción relativa de los elementos fertilizantes fija [10].
2.3.2.1. Nitrato de amonio
El nitrato de amonio o también conocido como sal amónica del ácido nítrico es un
compuesto iónico formado por el catión amonio NH4+ y el anión nitrato NO3
-. La fórmula
química es NH4NO3 y su representación se pueden observar en la Figura 2.5. Su
composición es: 5,04 % H, 35 % N y 59,97 % O.
Figura 2.5 Representación gráfica de los iones del nitrato de amonio
Las propiedades características de este compuesto son su higroscopicidad y su alta
solubilidad en agua.
La producción a gran escala del nitrato de amonio comenzó en la década de 1940 cuando
se utilizaba para municiones durante los períodos de guerra. Al finalizar la Segunda Guerra
Mundial, el nitrato de amonio se hizo disponible como fertilizante comercial.
El nitrato de amonio es un fertilizante popular ya que proporciona la mitad del N en forma de
nitrato y la otra mitad en forma de amonio. La forma nitrato se mueve fácilmente bajo
condiciones húmedas del suelo hacia las raíces, donde está inmediatamente disponible para
su asimilación en la planta. La fracción de amonio es absorbida por las raíces o es
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convertida gradualmente en nitrato por los microorganismos del suelo. La alta solubilidad de
nitrato de amonio hace que sea muy adecuado para preparar soluciones para fertirrigación o
aspersiones foliares.
El nitrato de amonio es comúnmente mezclado con otros fertilizantes como, por ejemplo, el
cloruro de potasio (ClK), para formar abonos complejos. Estas mezclas no se pueden
almacenar por largos períodos de tiempo debido a su tendencia a absorber la humedad del
aire. También, es un agente de oxidación que puede reaccionar y provocar explosiones
violentas en presencia de materia orgánica, de ciertos metales, de fósforo, azufre, entre
otros [11].
La preocupación por el uso ilegal de los fertilizantes para la fabricación de explosivos ha
causado estrictas regulaciones gubernamentales en muchas partes del mundo. Por este
hecho, se suele agregar pequeñas cantidades de minerales carbonatados para eliminar las
propiedades explosivas del nitrato de amonio. La ley permite una concentración específica
para cada forma en que se presenta: en forma pura: 35% N, en forma de abono: 20.5% N
(dosificación media) y 33.5% N (dosificación alta), en forma de nitrato de amonio calcáreo:
26.5% N [12].
2.3.3. Tipos de fertilizantes según el estado físico
El estado físico en que se presenta un fertilizante puede ser sólido, líquido e incluso
gaseoso y juega un papel importante en las condiciones de utilización y la eficacia del
abono. Propiedades como la homogeneidad de distribución o la integración en el suelo
dependen en gran medida del estado en que se encuentre.
2.3.3.1. Fertilizantes sólidos
Los fertilizantes sólidos comerciales más usuales se presentan de las formas siguientes:
Fertilizantes en polvo: Apropiados cuando la solubilidad en agua es escasa o nula.
No son aconsejables para el uso si no son necesarios debido a la solubilidad ya que
las dificultades que presenta en el manejo, en el tratamiento con maquinaria y las
pérdidas en la manipulación le convierten en una forma ineficaz.
Fertilizantes granulados: Presentan al menos un 90% de partículas de un tamaño
entre 1 y 4 mm de diámetro. Su morfología permite un manejo más cómodo, un
mejor funcionamiento de las abonadoras, una dosificación más exacta y una
distribución sobre el terreno uniforme.
Fertilizantes cristalinos: Permiten realizar la manipulación y la distribución de manera
más fácil.
Fertilizantes perlados o Prill: Esferas de tamaño muy uniforme que se producen tras
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la solidificación, en la caída, de gotas pulverizadas en una torre de gran altura.
Fertilizantes macrogranulados: Permiten una progresiva liberación de los elementos
nutritivos debido al gran tamaño de los gránulos, de 1 a 3 cm de diámetro.
En la Tabla 3 se muestran los productos comerciales estándar de diferentes proveedores de
fertilizantes sólidos con su composición, la solubilidad y las aplicaciones para las tierras de
conreo.[13]
Tabla 3. Productos comerciales estándar en el mercado de fertilizantes sólidos.
Fertilizante Composición
N-P-K en [%]
Otros nutrientes
[%] Solubilidad Aplicaciones
Nitrato
amónico 33,5 33,5-0-0 - Muy alta
Suelos básicos o
neutros
Nitrato
amónico 27 27-0-0 10 SO3 Alta
Suelos calizos y
salinos
Nitrato
amónico 27
cálcico
27-0-0 7-9,1 CaO
3-3,5 MgO Alta
Suelos ácidos o
neutros
Nitrato
amónico 24 24-0-0 16-18 SO3 Alta
Suelos calizos y
salinos
Nitromagnesio 22-0-0 7 MgO
11-11,5 CaO Muy alta
Suelos deficientes
en Mg y ricos en K
NPK NitroMax 20-10-5 7 SO3 Alta
Nutrición del suelo
antes de la
siembra
2.3.3.2. Fertilizantes líquidos
Los fertilizantes líquidos más característicos se presentan de las formas siguientes:
Suspensiones: Permiten la sobresaturación de alguna sal (generalmente cloruro
potásico) para alcanzar concentraciones totales elevadas en estado líquido. Son
necesarias la utilización de arcillas dispersas en el agua y su agitación periódica.
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Soluciones bajo presión: Apropiadas para soluciones acuosas de nitrógeno donde
participa como componente el amoníaco anhidro para llegar a una concentración
superior a la que mantiene en equilibrio a presión atmosférica. Son necesarios
equipos especiales que soporten las presiones requeridas.
Soluciones a presión atmosférica: Aportan uno o varios elementos nutritivos
disueltos en agua.
Partir de una estructura líquida tiene asociados ciertas ventajas con respecto a los
fertilizantes en estado sólido:
Su facilidad de mecanización.
Se alcanza un gran rendimiento en su aplicación.
Se consigue una gran uniformidad en la distribución sobre el terreno.
Además, las formas de aplicación en que se pueden distribuir los fertilizantes líquidos los
convierten en abonos idóneos para rentabilizar la producción de las tierras a conrear:
Aplicación al suelo o radicular: Proporciona los nutrientes con un efecto rápido al
distribuirlos directamente sobre el suelo.
Aplicación foliar: Permite a los nutrientes ser absorbidos de forma inmediata gracias
a un sistema de soporte que aplica el fertilizante en forma de lluvia aprovechando las
hojas de las plantas como vehículo transmisor. Esta técnica acorta los plazos para
obtener resultados satisfactorios de las tierras de conreo.
Fertirrigación: Aprovecha el flujo del agua del riego como transmisor para disolver los
nutrientes. Esta técnica reduce el coste de agua, energía y produce menor impacto
ambiental.[14]
En la Tabla 4 se muestran los productos comerciales estándar de diferentes proveedores de
fertilizantes líquidos con su composición, modo de aplicación y las aplicaciones para las
tierras de cultivo.
Valorización de amonio de aguas residuales urbanas como
fertilizante líquido utilizando contactores de membrana de fibra hueca Pág. 21
Tabla 4. Productos comerciales estándar en el mercado de fertilizantes líquidos.[15]
Fertilizante Composición
N-P-K en [%]
Otros nutrientes
en [%]
Modo
aplicación Aplicaciones
Solución 32 33,5-0-0 - Fertirrigación En el cultivo de
cereales
Solución N20 27-0-0 - Fertirrigación En el cultivo de
hortícolas
Solución N20
Ureica 27-0-0 - Fertirrigación
En el cultivo de
frutales
Energrow F20 24-0-0 - Foliar En cultivos de
olivares
Energrow
Aufer 40-4 Flow 40-4-0 0,1 B Foliar
En cultivos de
cereales
Agri app 15,4-22,6-0 - Foliar En campos de
golf
Pág. 22 Memoria
3. Tecnología de contactores de membrana de fibra hueca
3.1. Descripción de la tecnología
Un contactor de membrana es un módulo de membrana tubular concéntrica configurada por
un tubo interior (lumen), una pared formada por membranas de fibras huecas microporosas
y una cavidad exterior o carcasa (shell). Ambos lados del módulo tienen orificios de entrada
y salida de los dos compartimentos.
La membrana actúa como barrera y como medio de contacto entre dos fluidos de fases
inmiscibles sin producirse el fenómeno de la dispersión. Los poros de la membrana son de
diámetro muy pequeño que van desde la superficie interior de la fibra hueca hasta el exterior
de la pared. El volumen del poro se llena de una de las dos fases del fluido en el que está
en contacto. La membrana del contactor permite el contacto directo y funciona como un
dispositivo de transferencia de masa continuo semejante al mecanismo utilizado en una
torre de relleno. Sin embargo, no es necesaria una dispersión física de una fase en la otra.
Este tipo de membranas están hechas de materiales hidrofóbicos como el Polipropileno
(PP), Polietileno (PE) o el Politetrafluoroetileno (PTFE).
Por tanto, debido a las propiedades descritas anteriormente, se pueden llevar a cabo
diferentes procesos convencionales de separación basados en transferencia de masa
como, por ejemplo, la absorción de gas o la extracción líquido-líquido. En la Figura 3.1 se
puede observar una representación de la separación de dióxido de carbono y metano
mediante un contctor de membrana [16].
Figura 3.1. Esquema de la absorción de CO2 por contactores de membrana.
Valorización de amonio de aguas residuales urbanas como
fertilizante líquido utilizando contactores de membrana de fibra hueca Pág. 23
El principio en el que se basa la tecnología de contactores de membrana es el fenómeno de
la fuerza capilar. Cuando en un lado de la membrana hidrofóbica microporosa se encuentra
en contacto con agua o un líquido acuoso, la membrana no se encuentra humedecida por el
líquido: no está en estado “húmedo”, es decir, el líquido no puede entrar en el interior de los poros debido al efecto de la tensión superficial. La humectabilidad de una superficie sólida (o
substrato) debido a otra superficie líquida puede ser caracterizada por el ángulo de
contacto. Cuanto mayor es el ángulo de contacto menor es la capacidad del líquido para
humedecer la superficie sólida. Un ángulo menor a 90º significa que el líquido tenderá a
humedecer la superficie sólida y, por lo tanto, tendrá propiedades hidrofílicas. Por el
contrario, si el ángulo es mayor a 90º el líquido no tenderá a humedecer la superficie sólida i
se obtendrán unas propiedades hidrofóbicas.
En el caso de una membrana de fibras huecas hidrofóbica en condiciones de sequedad, con
los poros llenos de aire y alimentada con agua, ésta no penetrará en el interior de los poros
hasta que la presión del agua exceda una presión crítica de ruptura. La magnitud de esta
presión diferencial, ya que se puede expresar como la diferencia entre la presión del agua
menos la presión del aire, se puede calcular con la Ecuación 3.1 conocida como Young-
Laplace:
� � − �� = ∆ � = − � Ecuación 3.1
Siendo:
λ: la tensión superficial del agua [Pa].
θ: el ángulo de contacto para el sistema aire-agua-membrana [en grados].
d: el diámetro efectivo del poro de la membrana (asumiendo que los poros son
aproximadamente de forma circular) [m].
En el caso de la extracción líquido-líquido la presión crítica de penetración puede calcularse
teniendo en cuenta que la λ en la Ecuación 3.1 es la presión en la interfaz entre los dos
líquidos.
Para un material poroso e hidrofóbico con un ángulo de contacto mayor de 90º, la presión de
ruptura es positiva y depende de la tensión superficial y del tamaño de los poros de la
membrana. En estas condiciones (ΔP>0), se mantiene una interfaz estable gas-líquido que
impide que la fase líquida entre en los poros (poros llenos de aire) y, así, manteniendo el
control sobre las presiones de ambas fases, las dos fases inmiscibles se disponen en
contacto constante sin necesidad de dispersarse uno en el otro. Este fenómeno permite el
intercambio de masa entre las fases como se produce en los procesos de absorción y
desorción de gas [16].
Pág. 24 Memoria
3.2. Proceso de transferencia de masa en el contactor de membrana
En los diferentes contactores de membrana gas-líquido, líquido-líquido o líquido-gas-líquido
no existe un flujo convectivo de ninguna fase a través de la membrana. La transferencia de
masa ocurre solamente por difusión a través de la fase inmovilizada en el interior de los
poros. La dirección de la transferencia de masa de cualquier especie molecular depende de
la fuerza impulsora causada por la concentración de ésta en ambos lados de la membrana.
La resistencia que impide el intercambio libre de masa es la inversa del coeficiente de
transferencia de masa. La presencia de una fase estacionaria en el interior de los poros de
la membrana crea una resistencia adicional en la difusión de materia, de esta manera la
resistencia total se puede calcular como la suma de tres resistencias en serie Ecuación 3.2
para el equilibrio líquido-gas [17]. = + + Ecuación 3.2
Siendo:
Kglobal: coeficiente de transferencia de masa global [m/s].
kf: coeficiente de transferencia de masa del lado del lumen [m/s].
kM: coeficiente de transferencia de masa del lado de la membrana [m/s].
kS: coeficiente de transferencia de masa del lado shell [m/s].
H: la constante de Henry.
Para el caso de contacto de tipo líquido-líquido el término H se sustituye por el coeficiente de
distribución mD entre los líquidos del lado shell y del lumen.
Asumiendo que la difusión puede ser descrita por la ley de Fick en una membrana simétrica
microporosa, también se puede conocer el valor de la resistencia de la membrana que
depende del coeficiente de difusión de la fase que ocupan los poros y de diversos
parámetros geométricos Ecuación 3.3. = � − Ecuación 3.3
Siendo:
D: la difusividad en la fase del poro [m2/s].
M: la porosidad de la membrana [% de poros].
τ M: la tortuosidad de la membrana [tanto por uno].
Valorización de amonio de aguas residuales urbanas como
fertilizante líquido utilizando contactores de membrana de fibra hueca Pág. 25
Teóricamente la resistencia por el lado de la alimentación se puede estimar con la Ecuación
3.4 [17]. = ℎ = , , Ecuación 3.4
Siendo:
Sh: el número de Sherwood.
d: el diámetro interior del contactor de membrana [m].
l: la longitud de las fibras huecas [m].
Dw: el coeficiente de difusión del amoníaco en agua [m2/s].
v: es la velocidad de la alimentación en el lado lumen del contactor [m/s].
3.2.1. Determinación de coeficientes individuales de transferencia de masa
En el caso de sustancias volátiles que reaccionan instantáneamente con un exceso de ácido
en el lado shell, la resistencia a la transferencia de masa en esta zona es menospreciable
con respecto a los otros dos términos de la Ecuación 3.2. Esta resistencia es despreciable
puesto que la difusión en gases es mucho más rápida que en líquidos, y por tanto, el
coeficiente de transferencia de masa en los poros repletos de gas es mucho más grande.
Teniendo en cuenta esta simplificación se obtiene la Ecuación 3.5. = + Ecuación 3.5
Sin embargo, si la membrana está parcialmente húmeda por el efecto de un prolongado
tiempo de contacto con el agua durante la operación del contactor, esta resistencia
contribuirá en la resistencia global y será necesario tenerla en cuenta.
Los coeficientes individuales de transferencia de masa en la Ecuación 3.5 dependen de
múltiples factores como la temperatura, la presión, el flujo y diferentes coeficientes de
difusión que pueden ser calculados a partir de correlaciones empíricas.
Por tanto, ésta resistencia adicional (kM) presentada por la membrana, afecta negativamente
al coeficiente global de transferencia y a la selectividad del proceso de separación. Éste
obstáculo puede ser minimizado reduciendo el espesor de la membrana o incrementando la
permeabilidad del gas.
Pág. 26 Memoria
3.3. Efecto del pH y la viscosidad en la transferencia de masa
Para demostrar el efecto de estas dos propiedades se analiza el caso de transferencia de
materia en membranas de una sustancia volátil como es el amoníaco.
En solución acuosa la ecuación del equilibrio ácido-base del par amoníaco-amonio es la
expresada en la Ecuación 3.6 y la ecuación que describe la constante de equilibrio es la
Ecuación 3.7. �+ � + �+ Ecuación 3.6
� = , � − = [ � ]+[�+][ �+] Ecuación 3.7
Siendo:
Ka: la constante de equilibrio del par ácido-base.
La concentración total de amoníaco (C) es la suma entre las concentraciones de amoníaco y
amonio Ecuación 3.8 y la fracción de cada especie (αi) es el gradiente de la concentración
de estas especies con respecto al total de concentración ( Ecuación 3.9-3.10). = [ � ] + [ �+] Ecuación 3.8 � � = [ � ] Ecuación 3.9 � �+ = [ �+] Ecuación 3.10
Por tanto, substituyendo y reordenando las ecuaciones anteriores se encuentra una
ecuación que relaciona la αi con las constantes de acidez y la concentración de protones (o
valor de pH) Ecuación 3.11 y Ecuación 3.12: � � = [�+]+ Ecuación 3.11
� �+ = [�+][�+]+ Ecuación 3.12
En las ecuaciones Ecuación 3.11 y Ecuación 3.12 se puede observar que la fracción de
cada especie depende del pH y es independiente de la concentración total de amoníaco.
Valorización de amonio de aguas residuales urbanas como
fertilizante líquido utilizando contactores de membrana de fibra hueca Pág. 27
A partir de la Ecuación 3.5, si se considera una alimentación altamente tamponada se
obtiene la Ecuación 3.13: = + + [�+] Ecuación 3.13
Se puede observar que en la Ecuación 3.13 sólo la resistencia producida por la membrana
se ve afectada por el pH. Sin embargo, si la disolución de alimentación no está tamponada y
hay variación del pH a lo largo del proceso de operación, ambas resistencias dependerán de
esta variación. Así, la contribución del pH debe tenerse en cuenta en ambos términos de la
Ecuación 3.5 que junto a la Ecuación 3.11 se obtiene la Ecuación 3.14 [18]. = ( + ) � Ecuación 3.14
La viscosidad se relaciona con el coeficiente de difusión de compuestos volátiles (en el caso
de estudio el amoníaco) en una solución acuosa a partir de la Ecuación 3.15 conocida como
ecuación de Stokes-Einstein. = �� Ecuación 3.15
Siendo:
KB: la constante de Boltzman [m2/s].
T: la temperatura absoluta [K].
η: la viscosidad [Pa s].
R0: el radio del amoníaco [m].
El coeficiente de difusión del amoníaco es inversamente proporcional a la viscosidad de la
alimentación del sistema Ecuación 3.16. Además, junto a la Ecuación 3.4, se obtiene la
Ecuación 3.17 que relaciona el cambio de viscosidad de la alimentación con el coeficiente
de transferencia de masa [18]. = Ecuación 3.16
= , Ecuación 3.17
Pág. 28 Memoria
3.4. Modos de operación de los contactores de membrana
Hay tres condiciones en las que los contactores se pueden utilizar por lo que se refiere a
humedad: no húmedo, parcialmente húmedo y húmedo. Muchos estudios se centran en el
primer modo de operación, en ausencia de humedad, cuando los poros se encuentran
llenos de gas porque presenta evidentes propiedades favorecidas. Esto es debido, en primer
lugar, que los procesos habituales de absorción utilizados en la industria están limitados por
la velocidad de transferencia de masa en la fase líquida obteniendo un coeficiente de
transferencia de masa de orden entre − y − [ − ]. En segundo lugar, la resistencia
al intercambio de materia de la membrana no húmeda es menospreciable y debido a la
considerable área interfacial del módulo, la transferencia de masa por unidad de volumen
es muy superior a las columnas convencionales. En cambio, en condiciones de humedad,
las restricciones de la membrana son significativamente mayores. En la misma dirección
otros investigadores han estudiado contactores gas-líquido en entornos parcialmente
húmedos en flujos laminares. Los resultados obtenidos muestran la posibilidad de alcanzar
un máximo en el coeficiente de transferencia global con respecto a la velocidad del líquido a
diferencia de los otros dos casos, donde el coeficiente aumentaba al aumentar también la
velocidad del líquido [19].
Valorización de amonio de aguas residuales urbanas como
fertilizante líquido utilizando contactores de membrana de fibra hueca Pág. 29
4. εetodología experimental
4.1. Materiales y métodos experimentales del sistema de
concentración de nitrato de amonio en circuito cerrado
En la Figura 4.1 se muestra el circuito experimental desarrollado en este trabajo para
concentrar la solución de nitrato de amonio. El modelo está formado por dos tanques de
diferentes volúmenes, dos bombas peristálticas idénticas y un contactor de membrana de
fibras huecas colocado de manera horizontal. Además, se cuenta con un sistema de
regulación de pH para el tanque de ácido.
Figura 4.1 Esquema base del circuito experimental [20].
El tanque de mayor volumen contiene una disolución de amoníaco y una cierta cantidad de
hidróxido de sodio. El tanque de menor volumen contiene una disolución de ácido nítrico
cuyo pH está controlado por un regulador. El sistema de regulación de pH consta de un
regulador de pH, una bomba dosificadora, tubos de PVC flexibles y un tanque, con medición
de volumen, con una disolución de ácido más concentrado. El contactor de membrana es de
polipropileno (PP) del modelo Liquid-Cell 2.5x8’’ Extra Flow X50HF fabricado en Membrane-
Charlotte (Celgard, USA). Las propiedades del contactor se encuentran especificadas en el
data sheet [21]. Para las conexiones del modelo experimental se utilizan tubos flexibles
Pág. 30 Memoria
transparentes de PVC. Para asumir la homogeneidad en ambos tanques se añade un
agitador por paletas al de mayor volumen y un agitador magnético en el de ácido.
La membrana de fibras huecas separa las disoluciones que circulan por el lado de la
alimentación (lumen) y por el lado de extracción (shell) en un circuito cerrado. El lado del
lumen es alimentado por la disolución de amoníaco y por el lado shell se hace circular ácido
nítrico. Los poros de la membrana se asumen totalmente repletos de aire y que no se
humedecen por el contacto de las disoluciones.
Previamente a la experimentación se pasó agua desionizada para eliminar cualquier traza
de componentes procedentes de experimentos anteriores. Los volúmenes utilizados en la
alimentación son de 5 y 30L en los respectivos experimentos realizados, en cambio, en el
tanque de recuperación de amoníaco oscila entre 2 y 1L y el tanque de dosificación de ácido
de alta concentración varía entre 0,75 y 0,3L. La temperatura en el laboratorio se considera
constante y aproximadamente de 21ºC.
La metodología experimental constó en hacer circular ambas disoluciones a igual caudal
(0,56L/min) y en modo contracorriente recogiendo muestras del tanque de alimentación de 5
mL a diferentes tiempos teniendo en cuenta la cinética del intercambio de masa. A lo largo
del experimento, se requería un control en la dosificación de ácido nítrico concentrado del
regulador de pH, en el medidor de caudal y de las posibles pérdidas del sistema por ruptura
de los tubos. Al final de la experimentación se desconectaban las bombas y el regulador de
pH y se hizo circular agua desionizada para limpiar ambos lados del contactor.
En la Tabla 5 se resumen las características de los 7 experimentos realizados.
Tabla 5. Resumen de las características de los experimentos realizados.
Nº
experimento
Volumen
alimentación
[L]
Regulación de pH
Estado del
volumen de
dosificación pH
Conc. ácido
nítrico
concentrado
[% en masa]
Experimento 1 5 2-3 16 No controlado
Experimento 2 5 2-3 16 No controlado
Experimento 3 30 1,8-2,2 16 No controlado
Experimento 4 30 1,8-2,2 16 Controlado
Valorización de amonio de aguas residuales urbanas como
fertilizante líquido utilizando contactores de membrana de fibra hueca Pág. 31
Experimento 5 30 1,8-2,2 16 Controlado
Experimento 6 30 1,8-2,2 32 Controlado
Experimento 7 30 1,8-2,2 32 Controlado
4.2. Disoluciones de amoníaco y ácido nítrico
La disolución sintética de la alimentación simulaba la composición de amoníaco e hidróxido
de sodio en corrientes concentradas generadas durante la regeneración de zeolitas,
previamente usadas en la recuperación de amonio en los efluentes de las plantas de
tratamiento de aguas residuales.
Las disoluciones de la alimentación fueron preparadas a partir de volúmenes conocidos de
una solución comercial de amoníaco de una concentración en masa del 25% y cantidades
conocidas de hidróxido de sodio sólido mezcladas con agua desionizada.
Las disoluciones de la corriente extractora y la corriente de dosificación de ácido nítrico
fueron preparadas a partir de la mezcla de volúmenes conocidos de una solución comercial
de ácido nítrico de una concentración en masa del 65% con agua desionizada.
4.3. Métodos analíticos
Para cuantificar la cantidad de amonio presente en los diferentes experimentos realizados
en el estudio se ha realizado la determinación por cromatografía iónica.
Una muestra es introducida, de forma manual o con autosampler dentro de un ciclo de
muestras de volumen conocido. Una solución acuosa tamponada conocida como fase móvil
lleva la muestra del ciclo de muestras a la columna de cromatografía que contiene el analito
en fase estacionaria. Los analitos (aniones o cationes) son conservados en la fase
estacionaria pero pueden ser eliminados incrementando la concentración de especies de
similar carga que pueden desplazar los iones analitos de la fase estacionaria.
Cada analito es eluido de la columna con diferente tiempo de retención, parámetro que
permite su identificación cualitativa. Existe una amplia gama de detectores (conductimétrico,
amperométrico, UV, etc) donde se registra la señal obtenida respecto al tiempo. El resultado
es un cromatograma donde la posición de los máximos indica el ion presente (análisis
cualitativo) y el área corresponde a su concentración en la disolución (análisis cuantitativo)
[22].
Pág. 32 Memoria
4.4. Mecanismos de recuperación y modelo de
comportamiento del sistema de concentración de nitrato
de amonio en circuito cerrado
El proceso de recuperación, representado en la Figura 4.2, del amoníaco se inicializa
cuando se forma amoníaco gas en la disolución de alimentación y se difunde hacia la
interfaz del lado lumen de la membrana Ecuación 4.1- 4.2. � � = � � Ecuación 4.1 � � � � Ecuación 4.2
Siendo:
NH3 a: el amoníaco en la alimentación.
NH3 (g) a: el amoníaco gas en la alimentación.
NH3 (g) ma: el amoníaco gas en la interfaz del lado de la alimentación en la membrana.
Posteriormente, el amoníaco se volatiliza a través de la interfaz de la membrana y se
difunde a través de los poros repletos de aire. Finalmente, el gas reacciona inmediatamente
con el ácido nítrico en la interfaz del lado Shell Ecuación 4.3 -4.4. � � Ecuación 4.3 � + � � Ecuación 4.4
Siendo:
NH3 (g) ms: el amoníaco gas en la interfaz del lado shell de la membrana.
NH3 (g) s: el amoníaco gas en el lado shell de la membrana.
Valorización de amonio de aguas residuales urbanas como
fertilizante líquido utilizando contactores de membrana de fibra hueca Pág. 33
Figura 4.2 Descripción esquemática de la transferencia de amoníaco de la
alimentación a través de la membrana hidrofóbica de fibras huecas.[23]
4.4.1. Balance de masa en el tanque de alimentación
Las consideraciones previas a tener en cuenta antes de realizar el balance de masa son
[24]:
Operación a temperatura constante.
Flujo parabólico completamente desarrollado en el interior de las fibras.
Los poros de las membranas están llenos de aire y no se saturan.
Los volúmenes de las disoluciones de ácido y de amoníaco son muy elevados en
comparación al volumen del contactor.
Los caudales de las dos disoluciones se consideran constantes.
La expresión general del balance de masa en el tanque de amoníaco en circuito cerrado es
la Ecuación 4.5. = + Ecuación 4.5
Siendo:
mt: la masa total de amoníaco en el tanque [kg].
me: el caudal másico de amoníaco que entra en el depósito [kg].
ms: el caudal másico de amoníaco que abandona el depósito [kg].
Pág. 34 Memoria
Asumiendo que la densidad es constante, el balance en términos de la concentración es la
Ecuación 4.6.
� = � − Ecuación 4.6
Siendo:
Ct: la concentración de amoníaco en el depósito [mol/m3].
Qe: el caudal de fluido de entrada al depósito [m3].
Qs: el caudal de fluido de salida del depósito [m3].
Ce: la concentración de la disolución de entrada al depósito [mol/m3].
Cs: la concentración de la disolución de salida del depósito [mol/m3].
V: el volumen de disolución en el depósito [m3].
La homogenización del tanque con agitación por paletas hace posible asumir la igualdad
entre la concentración de amoníaco en la salida y la concentración en el interior del tanque.
Además los caudales de entrada y salida son iguales con lo que se simplifica el balance a la
expresión Ecuación 4.7.
� = � − Ecuación 4.7
En la Ecuación 4.7 se puede observar que cuanto mayor sean la relación entre el caudal y el
volumen del tanque y la diferencia entre la concentración de entrada y de salida mayor será
la velocidad de variación de la concentración en el tanque.
4.4.2. Balance de masa en el lado interior del contactor
El transporte de amoníaco en el interior de las fibras del contactor tiene lugar a través de un
fenómeno difusivo-convectivo Ecuación 4.8 [24]: �� + � = � + Ecuación 4.8
Siendo:
: el vector velocidad [m/s].
D: la difusividad del amoníaco en el agua [m2/s].
C: la concentración local de amoníaco [mol/m3].
R: la generación de amoníaco debida a reacciones químicas.
Valorización de amonio de aguas residuales urbanas como
fertilizante líquido utilizando contactores de membrana de fibra hueca Pág. 35
Considerando que no hay reacción química en el sistema (R=0) y que la difusión
circunferencial y radial frente a la velocidad en la dirección axial es despreciable se halla la
Ecuación 4.9 [24]. �� + � ��� = [ �� �� + ��� ] Ecuación 4.9
Teniendo en cuenta la hipótesis previamente asumida de flujo laminar completamente
desarrollado, el perfil de la velocidad axial a lo largo del radio se puede expresar con la
Ecuación 4.10 [25]:
� = [ − ] Ecuación 4.10
Siendo:
Uz: la velocidad axial [m/s].
U: la velocidad media de la sección [m/s].
R: el radio del interior de las fibras [m].
r: la posición en la coordenada radial [m].
La velocidad media del flujo a través del contactor se puede expresar como la Ecuación
4.11. = � Ecuación 4.11
Siendo:
Q: el caudal de alimentación del contactor [m3].
N: el número de fibras del contactor.
4.4.3. Condiciones de contorno
Para poder encontrar una solución a la ecuación diferencial planteada en el balance de
masa es necesario especificar una serie de condiciones de contorno [21]:
Simetría radial en el interior de las fibras (Ecuación 4.12): �� = = Ecuación 4.12
Concentración uniforme en la sección de entrada al contactor e igual a la
concentración en el depósito de amoníaco ( Ecuación 4.13):
�= = Ecuación 4.13
Pág. 36 Memoria
La concentración a la salida del contactor es la misma concentración con la que el
fluido es devuelto al tanque (Ecuación 4.14):
�= = Ecuación 4.14
Difusión despreciable en la dirección axial a la salida del contactor frente a la
convección [25].
El perfil de concentraciones se puede aproximar al esquema mostrado en la Figura
4.3:
Figura 4.3. Perfil de concentración de amoníaco desde el interior de la fibra hasta la
carcasa pasando a través del poro de la membrana [24].
A partir del balance de masa realizado en la superficie interna de la membrana se deduce
que el flujo de amoníaco disuelto en la disolución que circula por el interior es igual al flujo
de amoníaco gaseoso difundido a través de los poros de la membrana. Así, se establece la
condición de contorno en r=R de la ( Ecuación 4.15): − �� = = ( � �) Ecuación 4.15
Siendo:
kg: el coeficiente de transferencia de masa en el interior del poro [m/s].
Pag int: la presión parcial de amoníaco en la interfase [Pa].
Rg: la constante universal de los gases [J/(mol K)].
Valorización de amonio de aguas residuales urbanas como
fertilizante líquido utilizando contactores de membrana de fibra hueca Pág. 37
Teniendo en cuenta las condiciones de operación con un pH elevado provoca que a la
entrada de los poros todo el amoníaco se encuentre en forma de NH3. Por otro lado, a la
salida de los poros, la concentración de NH3 es despreciable ya que reacciona de manera
instantánea con el ácido nítrico formando el nitrato de amonio.
En la interfase líquido-gas de la entrada del poro se establece el equilibrio de la Ley de
Henry ( Ecuación 4.16):
� � = � � Ecuación 4.16
Siendo:
H: la constante de Henry para el sistema agua-amoníaco [(Pa m3)/mol].
Cint: la concentración de amoníaco en el líquido de la interfase [mol/m3].
El coeficiente de transferencia de masa a través de los poros se calcula con la Ecuación
4.17. = � Ecuación 4.17
Siendo:
Dporo: la difusividad del amoníaco a través del poro [m2/s].
: la porosidad de la membrana [% de poros].
�: la tortuosidad de la membrana [Tanto por uno].
�: el espesor de la membrana [m].
La tortuosidad se aproxima mediante la Ecuación 4.18 [21]: � = Ecuación 4.18
La difusividad a través del poro se calcula con la Ecuación 4.19:
� = � + �� Ecuación 4.19
Siendo:
Dk poro: la difusividad de Knudsen [m2/s].
Daire: la difusividad del amoníaco en el aire [m2/s].
Pág. 38 Memoria
Y la difusividad de Knudsen, Dk poro, se establece con la Ecuación 4.20:
= � √ 8� Ecuación 4.20
Siendo:
dporo: el diámetro del poro [m].
M: el peso molecular del amoníaco [kg/mol].
T: la temperatura [K].
4.5. Determinación del coeficiente de transferencia de masa
del amoníaco
El flujo de amoníaco a través de la membrana está controlado por la diferencia de presiones
parciales de amoníaco en ambos lados y el coeficiente de transferencia de masa global
como se expresa en la Ecuación 4.21 [21].
� = − Ecuación 4.21
Siendo:
JNH3: el flujo de amoníaco que se transporta a través de la membrana [mol/(m2s)].
Km: el coeficiente de transferencia de masa global de amoníaco [m/s].
pNH3 f: la presión parcial de amoníaco en el lado de la alimentación [Pa].
pNH3 e: la presión parcial de amoníaco en el lado de la extracción [Pa].
R: la constante universal de los gases [(Pa m3)/(mol/ K)].
T: la temperatura [K].
Asumiendo que la presión parcial de amoníaco es directamente proporcional a la
concentración y que la variación de pH en la disolución de amoníaco es suficientemente
pequeña, la concentración de amoníaco es proporcional a la concentración de amoníaco
total en la alimentación.
En el lado del ácido se aseguró que el pH se mantuviera suficientemente bajo para que todo
el nitrógeno amoniacal estuviera en forma de amonio (>99%) por tanto, se puede considerar
una presión parcial de amoníaco en esta parte de un valor muy pequeño.
Valorización de amonio de aguas residuales urbanas como
fertilizante líquido utilizando contactores de membrana de fibra hueca Pág. 39
Mediante las hipótesis planteadas, teniendo en cuenta el balance de masa total de
amonio/amoníaco y la Ecuación 4.21, el coeficiente de transferencia de masa se puede
calcular de manera experimental con la Ecuación 4.22.
� = �� Ecuación 4.22
Siendo:
C0 NH3 f: Concentración inicial de amoníaco en la alimentación [ppm].
Ct NH3 f: Concentración de amoníaco en la alimentación trascurrido el tiempo t [ppm].
Am: Superficie específica de la membrana [m2].
Vf: Volumen total de la alimentación [m3].
Se puede observar que al graficar la correlación de la Ecuación 4.22 se obtiene una recta y
que a partir del pendiente de esta recta conociendo los valores de la superficie especifica de
la membrana y del volumen de alimentación se puede obtener el valor de Km.
4.6. Determinación de la eliminación de amoníaco
En los experimentos se recogieron diferentes muestras del tanque de amoníaco y se
analizaron mediante cromatografía que determinaba la cantidad de amonio presente en
estas muestras. Con los valores proporcionados por el aparato se elaboró para cada
muestra una comparación con el valor inicial de concentración de amoníaco como expresa
la Ecuación 4.23. % � � � �� � = − � Ecuación 4.23
Siendo:
C0: Concentración inicial de amoníaco en el tanque de alimentación [ppm].
Ct: Concentración de amoníaco en el tanque de alimentación transcurrido el tiempo t
[ppm].
Con la Ecuación 4.23 se consiguió ver la evolución del sistema en cuanto al porcentaje
eliminado de amoníaco a lo largo de toda la experimentación.
4.7. Determinación de la concentración de nitrato de amonio
En los experimentos del 4 al 7, para la determinación de la concentración de nitrato de
amonio se realizaron balances de masa por componente para conocer el contenido exacto
de la disolución en el tanque de extracción en el estado final del experimento.
Pág. 40 Memoria
En primer lugar, la cantidad de ácido nítrico presente en la disolución una vez llegado al
estado estacionario es la correspondiente a un pH establecido por el regulador de pH en un
valor aproximado de 2 Ecuación 4.24-4.25. � = = � Ecuación 4.24
Siendo:
CHNO3: la concentración de ácido nítrico [M].
� = � Ecuación 4.25
Siendo:
mHNO3: la masa ácido nítrico en el tanque de extracción [g].
Vs: el volumen del tanque de extracción [m3].
En segundo lugar, la cantidad de agua presente en el tanque de ácido (Ecuación 4.30) es la
procedente de la disolución inicial de ácido nítrico Ecuación 4.26-4.27, de la dosificación
de ácido concentrado para mantener el pH bajo Ecuación 4.28 y del volumen aparecido
procedente del tanque de amoníaco Ecuación 4.29.
� = � � .á − �ñ Ecuación 4.26
Siendo:
mH2O 1: la masa de agua añadida para alcanzar el volumen inicial total de 0,5L de la
disolución inicial de ácido nítrico [g].
dH2O: la densidad de agua [g/L].
V0 dis.ác: el volumen total de la disolución de ácido nítrico inicial [L].
Vañ: el volumen añadido de ácido nítrico al 65% en masa [L].
� = �ñ � � � .á Ecuación 4.27
Siendo:
mH2O 2: la masa de agua procedente de la disolución inicial de ácido nítrico [g].
dHNO3: la densidad de ácido nítrico al 65% en masa [g/L].
CH2O dis.ác: Concentración de agua en la disolución de ácido nítrico al 65% en masa
[% en masa].
Valorización de amonio de aguas residuales urbanas como
fertilizante líquido utilizando contactores de membrana de fibra hueca Pág. 41
� = � . � . � � . Ecuación 4.28
Siendo:
mH2O 3: la masa de agua procedente de la dosificación de ácido concentrado [g].
VHNO3 conc.: el volumen consumido de ácido nítrico concentrado a lo largo del
experimento [L].
dHNO3 conc.: la densidad de ácido nítrico concentrado al 16 o 32% en masa [g/L].
CH2O HNO3 conc.: la concentración de agua en la disolución concentrada de ácido nítrico
al 16 o 32% en masa [% en masa].
� = � � � � Ecuación 4.29
Siendo:
mH2O 4: la masa de agua procedente del volumen aparecido del tanque de
alimentación [g].
Vaparecido: el volumen aparecido procedente del tanque de alimentación [L].
� = � + � + � + � Ecuación 4.30
Siendo:
mH2O 5: la masa de agua presente en el tanque de extracción [g].
Por último, la cantidad de nitrato de amonio formado proviene de la reacción instantánea del
amoníaco procedente del tanque de amoníaco con el ácido nítrico añadido inicialmente
Ecuación 4.31 y el dosificado por el regulador de pH Ecuación 4.32. Hay que tener en
cuenta que parte de este ácido se encuentra en forma libre para mantener el pH en el valor
aproximado de 2.
� = � .á � .á Ecuación 4.31
Siendo:
mHNO3 1: la masa de ácido nítrico procedente de la disolución inicial 0,4M [g].
C0 dis.ác: la concentración inicial de la disolución de ácido nítrico 0,4M [g/L].
Pág. 42 Memoria
� = � . � . � � . Ecuación 4.32
Siendo:
mHNO3 2: la masa de ácido nítrico procedente de la disolución concentrada de
dosificación al 16 o 32% en masa [g].
CHNO3 HNO3 conc.: la concentración de ácido nítrico en la disolución concentrada de
ácido nítrico al 16 o 32% en masa [% en masa].
� = � + � − � Ecuación 4.33
mHNO3 3: la masa total de ácido nítrico en el tanque de extracción [g].
La reacción se expresa en la Ecuación 4.34 y se observa que la estequiometria es de 1 a 1.
De esta manera, se puede obtener la cantidad de nitrato de amonio formada Ecuación 4.36. � + � � Ecuación 4.34
� = � = Ecuación 4.35
Siendo:
nNH4NO3: los moles de nitrato de amonio [mol].
nHNO3: los moles totales de ácido nítrico en el tanque de extracción [mol].
MHNO3: la masa molecular de ácido nítrico [g/mol].
� = � � Ecuación 4.36
Siendo:
mNH4NO3: la masa formada de nitrato de amonio [g].
MNH4NO3: la masa molecular de nitrato de amonio [g/mol].
Finalmente comparando la cantidad de nitrato de amonio con el resto de la disolución se
obtiene un porcentaje para conocer la concentración de esta sal Ecuación 4.37. % � = + + Ecuación 4.37
Siendo:
%NH4NO3: el porcentaje obtenido de nitrato de amonio en el tanque de extracción [%
en masa].
Valorización de amonio de aguas residuales urbanas como
fertilizante líquido utilizando contactores de membrana de fibra hueca Pág. 43
Para expresar la riqueza de los fertilizantes en % en nitrógeno se comparan los moles del
elemento N con los moles de la molécula de nitrato de amonio de la forma descrita en la
Ecuación 4.38 y se expresa en porcentaje con relación al resto de disolución fertilizante
Ecuación 4.39. = � Ecuación 4.38
Siendo:
mN: la masa de nitrógeno presente el nitrato de amonio formado [g].
nN: los moles de nitrógeno en una molécula de nitrato de amonio [g].
MN: la masa molecular del nitrógeno en [g/mol]. % = + + Ecuación 4.39
Siendo:
%N: el porcentaje obtenido de nitrógeno en el tanque de extracción [% en masa].
En los primeros experimentos, del 1 al 3, no se realizó un control exhaustivo de la cantidad
dosificada por el regulador de pH y para hallar la concentración de nitrato de amonio se
realizó un balance de masa en el tanque de amoníaco. De esta manera, en el estado final,
la cantidad de nitrato de amonio formado es la diferencia de concentración de amoníaco en
el tanque de alimentación como se describe en la Ecuación 4.40.
� = � ( − ) Ecuación 4.40
Siendo:
mNH4NO3: la cantidad de nitrato de amonio formado [g].
Va: el volumen total de la alimentación [L].
MNH3: la masa molecular de amoníaco [g/L].
C0 NH3: la concentración inicial de amoníaco en el tanque de alimentación [g/L].
Cf NH3: la concentración final de amoníaco en el tanque de alimentación [g/L].
La cantidad de agua existente en el tanque extractor al inicio de la experimentación es el
mismo cálculo que en la Ecuación 4.26 y Ecuación 4.27 pero para calcular la cantidad de
agua añadida en la dosificación se realizó un balance de masa del ácido nítrico Ecuación
4.41 y Ecuación 4.42.
Pág. 44 Memoria
� = � = � ( − ) Ecuación 4.41
� = . � − . Ecuación 4.42
Siendo:
nt HNO3: los moles de ácido nítrico totales en el tanque extractor [mol].
nNH3: los moles de amoníaco traspasados al tanque extractor [mol].
mH2O: la cantidad de agua proveniente de la dosificación [g].
n0 HNO3: los moles de ácido nítrico añadidos en la disolución inicial del tanque
extractor [mol].
Para esta determinación se consideró constante el volumen del tanque de alimentación ya
que el volumen extraído para realizar las muestras es de tan sólo 5 mL.
4.8. Determinación del transporte de vapor de agua a través
de la membrana
El corriente de alimentación circula transversalmente con la membrana a una baja presión.
En estas condiciones el agua vaporiza y se difunde a través de los poros por el mecanismo
de difusión de Knusen. Por tanto, el flujo de agua que traspasa a través de la membrana, al
igual que en el caso del amoníaco anteriormente explicado, depende del coeficiente de
transferencia de masa global y de la diferencia de presiones entre ambos lados del
contactor. Adicionalmente, también tiene un efecto significativo en el cálculo la fracción
molar de agua en la disolución y el factor de actividad como se expresa en la Ecuación 4.43
[26].
� = √ �� �� − Ecuación 4.43
Siendo:
JH2O: el flujo de agua que traspasa la membrana [mol/(m2s)].
km: el coeficiente de permeabilidad de la membrana [s mol1/2 m-1 kg-1/2].
MH2O: la masa molecular del agua [kg/m3].
αH2O: el factor de actividad [tanto por uno].
XH2O: la fracción molar del agua [% en masa].
pa: la presión de vapor en el lado lumen [Pa].
ps: la presión de vapor en el lado shell [Pa].
Valorización de amonio de aguas residuales urbanas como
fertilizante líquido utilizando contactores de membrana de fibra hueca Pág. 45
El coeficiente de permeabilidad de la membrana se puede relacionar con ciertos parámetros
estructurales del contactor de acuerdo a la Ecuación 4.44 [27]. = � √8� Ecuación 4.44
Siendo:
: la porosidad de la membrana [% de poros].
r: el radio del poro [m].
: el espesor de la membrana [m].
�: la tortuosidad de la membrana [1/m2].
R: la constante universal de los gases [(Pa m3)/(mol/ K)].
T: la temperatura [K].
El efecto de la concentración de soluto en la alimentación para el cálculo de la presión de
vapor puede ser hallado en la Ecuación 4.45. = − � − , � − � Ecuación 4.45
Siendo:
p: la presión de vapor de la disolución [Pa].
p0: la presión de vapor del solvente puro [Pa].
X: la fracción molar de soluto en la disolución [% en masa].
Finalmente para calcular el transporte de volumen de agua se determinó a partir de dos
suposiciones distintas. La primera determina la evolución acumulativa de vapor de agua que
atraviesa la membrana teniendo en cuenta la variación del flujo de agua en el instante de la
experimentación en que se encuentra, como expresa la Ecuación 4.46. El valor del volumen
transportado es el obtenido en el tiempo final de la experimentación. = � Ecuación 4.46
Siendo:
Ve1: el volumen estimado de vapor de agua transportado por la primera suposición
[L].
Sm: la superficie específica de la membrana [m].
ta: el tiempo transcurrido de la experimentación [s].
En la segunda suposición se calcula el volumen de vapor de agua que se transporta
integrando la experimentación, entre los intervalos de tiempo de recogida de muestras, y
Pág. 46 Memoria
aplicando el flujo de vapor de agua que se está produciendo en ese momento. Así lo
expresa la Ecuación 4.47. � � = � − �− Ecuación 4.47
Siendo:
vei: el volumen de vapor de agua transportado a través de la membrana en el
intervalo de tiempo entre las recogidas de muestra i-1 y i [L]
tr i: el tiempo transcurrido tras la recogida de la muestra i [s].
tr i-1: el tiempo transcurrido tras la recogida de la muestra i-1 [s].
Por tanto, el valor del volumen transportado es el obtenido por la suma de los volúmenes de
agua en los diferentes intervalos de tiempo Ecuación 4.48. = ∑ � � Ecuación 4.48
Siendo:
Ve2: el volumen estimado de vapor de agua transportado por la suposición
suposición [L].
La superficie específica de la membrana es un parámetro que el fabricante proporciona en
el data sheet de la membrana y se consideró que sólo un 70% interactúa activamente con el
sistema implementado.
4.9. Determinación del transporte de disolución del tanque de
alimentación
El tanque de alimentación tenía una composición variable de amoníaco al irse transportando
a través de la membrana pero la cantidad de hidróxido de sodio se encuentra en suficiente
cantidad para que el pH de la disolución dependa únicamente de este componente. Por
tanto, se puede considerar un pH constante a lo largo del experimento y aproximado a un
valor de 12.
La cantidad de ácido nítrico para neutralizar el volumen de disolución de la alimentación que
atraviesa la membrana se calcula mediante las Ecuación 4.49-4.51. � = − � Ecuación 4.49
�− = − � Ecuación 4.50
Valorización de amonio de aguas residuales urbanas como
fertilizante líquido utilizando contactores de membrana de fibra hueca Pág. 47
� = �− = �− � � � Ecuación 4.51
Siendo:
COH-: la concentración de hidróxido en la disolución de alimentación [M].
nOH-: los moles de hidróxido en la disolución de alimentación [M].
Para comparar la cantidad de ácido nítrico concentrado de dosificación gastada extra debido
a la disolución de alimentación con la cantidad total gastada se utilizaron las Ecuación 4.52 y
Ecuación 4.53.
� = . . Ecuación 4.52 % � � � �� � � = � .−� �� � . Ecuación 4.53
Siendo:
Vextra: el volumen gastado extra de ácido nítrico de la dosificación a causa del
transporte de disolución de alimentación [L].
Pág. 48 Memoria
5. Resultados y discusión
5.1. Recuperación de amonio usando ácido nítrico como
disolución extractora: influencia del coeficiente de
transferencia de masa
En la Figura 5.1 se muestran los resultados obtenidos en los diferentes experimentos
realizados para la determinación del coeficiente de transferencia de masa del amoníaco.
Para ello, se representa el logaritmo de la relación entre la concentración de amoníaco en el
instante t y la concentración al inicio en función del tiempo que se hizo circular a través del
contactor de membrana.
Figura 5.1. Evolución del logaritmo del gradiente de concentraciones de amoníaco.
Los valores de Km (Tabla 6) se encuentran en un rango entre 1,7 a 2,2x 10-6. Estos son del
mismo orden de magnitud y coinciden con los publicados anteriormente para módulos
hidrofóbicos de fibra hueca de PP parecidos al utilizado en este trabajo [21].
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0 5000 10000 15000 20000 25000
Ln (
Ct
(NH
3)
/ C
0 (
NH
3) )
Tiempo [s]
EXP.1
EXP.2
EXP.3
EXP.4
EXP.5
EXP.6
EXP.7
Valorización de amonio de aguas residuales urbanas como
fertilizante líquido utilizando contactores de membrana de fibra hueca Pág. 49
Tabla 6. Resultados y cálculos para la determinación del coeficiente de transferencia
de masa.
Nº experimento Representación
Ln (Ct - C0) vs. Tiempo
Área del
módulo de
membrana
[m2]
Volumen
alimentación
[L]
Coeficiente
de
transferencia
de masa
Km[m/s]
Experimento 1 y = -0,0005x + 0,0362
R² = 0,9896 1,4 5 1,79x10-6
Experimento 2 y = -0,0005x - 0,0568
R² = 0,9988 1,4 5 1,79x10-6
Experimento 3 y = -9x10-5x - 0,144
R2 = 0,9784 1,4 30 1,93x10-6
Experimento 4 y = -0,0001x - 0,053
R2 = 0,9901 1,4 30 2,14x10-6
Experimento 5 y = -0,0001x - 0,0656
R2 = 0,997 1,4 30 2,14x10-6
Experimento 6 y= -0.0001x – 0,0656
R2= 0.99698 1,4 30 2,14x10-6
Experimento 7 y = -9x10-5x - 0,1123
R² = 0,9667 1,4 30 1,93x10-6
Comparando los resultados obtenidos en los grupos de experimentos 1 y 2 (5L) y del 3 al 7
(30L) se puede observar que la diferencia entre los coeficientes de transferencia de masa es
muy pequeña y que por tanto, el volumen de alimentación de amoníaco no tiene efecto
sobre la velocidad en que el amoníaco atraviesa la membrana. Es lógico que las pendientes
en la Figura 5.1 sean diferentes porque si el coeficiente de transferencia de masa tiene que
ser similar para ambos casos, la pendiente en los experimentos de menor volumen tiene
que ser menor.
Para analizar el comportamiento de los experimentos realizados se realizó un seguimiento
de la cantidad de amoníaco que se transportaba hacia el corriente extractor de ácido nítrico.
En la Figura 5.2 se representa el porcentaje de eliminación de amoníaco de la alimentación
en función del tiempo transcurrido.
Pág. 50 Memoria
Figura 5.2. Porcentaje de amoniaco eliminado vs. tiempo de contacto con la
membrana.
Como se puede apreciar en la Figura 5.2 el proceso de recuperación de amoníaco, a
medida que la concentración de amoníaco en el tanque de alimentación decrece, más
aumenta el tiempo para seguir extrayendo amoníaco de la alimentación. Este efecto es
debido a que una reducción de concentración de amoníaco, y por tanto del gradiente de
concentración, implica un decrecimiento del gradiente de las presiones parciales y esto
último, la consiguiente disminución del flujo de amoníaco a través de la membrana.
Comparando los resultados obtenidos en ambos tipos de experimentos según el volumen se
observa que los realizados con un volumen menor tienen una cinética de eliminación mayor
que los de mayor volumen consiguiendo en el primer caso un 80% de eliminación sobre los
50 minutos transcurridos y en cambio, en el segundo caso se llega a este porcentaje al dejar
circular la alimentación por la membrana algo más de 4 horas. Por tanto, el volumen total de
alimentación sí que tiene un efecto importante en la recuperación de amoníaco en circuito
cerrado puesto que cuanto mayor sea el volumen del tanque, más tiempo habrá que invertir
para llegar a la misma recuperación de amoníaco.
Otro aspecto a tener en cuenta es que en los experimentos del 3 al 7 hay diferentes
concentraciones iniciales de amoníaco en el tanque de alimentación pero, sin embrago, las
curvas resultantes son parecidas y llegan a unos porcentajes de eliminación similares. Por
tanto, se puede deducir que la concentración inicial de amoníaco en el tanque de
alimentación no tiene efecto en la eliminación ya que siempre se llega a eliminar una
cantidad de amoníaco superior al 80%.
Por último, las condiciones en estos experimentos se mantuvieron constantes tanto a nivel
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0 5000 10000 15000 20000 25000
% E
lim
ina
ció
n N
H3
Tiempo [s]
EXP.1
EXP.2
EXP.3
EXP.4
EXP.5
EXP.6
EXP.7
Valorización de amonio de aguas residuales urbanas como
fertilizante líquido utilizando contactores de membrana de fibra hueca Pág. 51
de temperatura, cabal de circulación en ambos circuitos y el pH en los dos tanques. El pH en
el tanque de alimentación se mantiene tamponado a aproximadamente a un valor de 12,2
por el efecto del hidróxido de sodio (1,2 g/L NaOH). En el circuito de la extracción se
mantuvo el pH mediante un regulador de pH y la dosificación de ácido nítrico concentrado.
5.2. Recuperación de amonio en forma de fertilizante: Nitrato
de amonio
Este proyecto se centró en el uso de una tecnología que pudiera concentrar al máximo la sal
obtenida en el proceso de recuperación de amonio de los efluentes de la regeneración de
zeolitas. Para ello se partió de la situación que ya se conocía, con un tanque de
alimentación de 5L y se evolucionó el sistema a un tanque de mayor volumen, 30L, para
observar los efectos en la concentración de la sal. A medida que se observó la tendencia del
experimento, se consideró controlar la dosificación por parte del regulador de pH de un
ácido nítrico más concentrado y cambiarla de un 16% a un 32% en masa de ácido. En la
Tabla 7 se resume los datos relevantes en el cálculo de la concentración de Nitrógeno en
porcentaje en masa de la disolución obtenida en el tanque extractor.
Tabla 7. Resumen de los datos en el cálculo de la concentración en N de la
disolución obtenida.
Nº
exp.
Volumen
alimentación
[L]
Conc.
ácido para
ajustar pH
[% masa]
Volumen
ácido para
ajustar pH
[L]
Volumen
final
corriente
extractora
[L]
Volumen
traspasado
[L]
Conc. en
N [%
masa]
Exp.
1 5 16 n.a. n.a. n.a. 2,2
Exp.
2 5 16 n.a. n.a. n.a. 2,2
Exp.
3 30 16 n.a. n.a. n.a. 5,1
Exp.
4 30 16 0,33
2 0,43 4,1
Exp. 30 16 0,74
Pág. 52 Memoria
5
Exp.
6 30 32 0,32 1,25 0,43 4,3
Exp.
7 30 32 0,35 1,323 0,473 4,4
En las dos primeras filas de la Tabla 7 se resumen los experimentos 1 y 2 con resultados
parecidos. La concentración final de nitrógeno es de algo más de 2% en masa.
El experimento 3 fue el primero de la serie con un volumen de alimentación de 30L y se
obviaron ciertos parámetros que deberían haberse controlado para el cálculo fidedigno de la
concentración de nitrógeno en la sal, y de ahí, que se obtenga un 5,12% de Nitrógeno en
masa con una desviación relevante.
A partir de este momento, en los experimentos siguientes se controlaron las variables
volumétricas en el tanque de extracción y de dosificación y los cálculos de la concentración
de nitrógeno fueron más consistentes.
Los experimentos 4 y 5 se realizaron consecutivamente sin realizar ningún cambio en la
corriente extractora y así, al final, obtener la concentración de nitrógeno después de aplicar
dos ciclos de recuperación de amonio. El resultado fue de aproximadamente un 4% de
Nitrógeno en masa destacándose un aumento significativo con el caso anterior de un
volumen menor.
Después de observar el efecto de la concentración de ácido nítrico de la dosificación, se
aumentó hasta un 32% en masa con consecuencias plausibles en la concentración final de
nitrógeno. En los experimentos 6 y 7 se observó un comportamiento similar del sistema
obteniendo una concentración en nitrógeno de aproximadamente el 4,4% en masa. Este
aumento supone que se consigue una concentración en nitrógeno mayor con sólo un ciclo
experimental que anteriormente realizando dos ciclos consecutivos.
Por tanto, cuanto más concentrado sea el ácido mayor será la concentración de nitrógeno
pero, en contrapartida, hay que tener en cuenta la integridad estructural del sistema ya que
una concentración muy elevada de ácido nítrico podría dañar los diferentes componentes de
conexión o el mismo contactor.
Finalmente la producción mediante esta tecnología es rentable para las empresas
comerciales de fertilizantes por dos motivos.
En primer lugar, las disoluciones obtenidas a partir de esta tecnología suponen un primer
Valorización de amonio de aguas residuales urbanas como
fertilizante líquido utilizando contactores de membrana de fibra hueca Pág. 53
paso en la obtención de fertilizantes de alta concentración de nitrógeno como los
especificados anteriormente (véase apartado 4.3.3.2. fertilizantes líquidos) puesto que hay
metodologías como la electrodiálisis que se utilizarían para eliminar el exceso de agua
presente en la disolución obtenida aumentando así el porcentaje en nitrógeno de la sal
fertilizante.
Y, en segundo lugar, las disoluciones obtenidas por esta tecnología podrían utilizarse como
alternativa a la compra de materias primeras por parte de las empresas que fabrican y
comercializan fertilizantes ya que se podrían reducir el consumo de materia prima de alta
calidad y el proceso de concentración para industrias a gran escala no supondría un coste
demasiado elevado siendo la compra de disoluciones de la recuperación de amonio
mediante contactores líquido-líquido en EDARs una inversión rentable.
El único factor adverso a la compra de estas disoluciones liquidas, por parte de las
empresas, sería el transporte de esta ya que cuanto menos concentradas estén más
cantidad se debería transportar y almacenar y, por tanto, menos beneficio en la inversión de
la compra de los fertilizantes de baja concentración. Este impedimento sólo afectaría en el
caso que no se contara con la cercanía de diversas empresas de fabricación de fertilizantes
ya que de otra manera los depósitos formarían parte de la estructura de las EDARs y el
transporte sería una cuantía menor. De todas maneras, el ahorro monetario en la
adquisición de nitrógeno que suponen las disoluciones producidas por esta tecnología
supone una oportunidad de reducir costes y conseguir un proceso de obtención de
fertilizantes más eficiente como economía de escala que es el sector de los fertilizantes.
5.3. Determinación del efecto de las pérdidas del tanque de
alimentación
A partir del experimento 3 se observó un aumento de volumen en el tanque de extracción
procedente del tanque de alimentación. Con el objetivo de conocer el mecanismo de
transporte de materia a través de la membrana se realizó un estudio, en primer lugar de la
cantidad de vapor de agua que podía atravesar a través de los poros y en segundo lugar del
efecto del paso de disolución a través de la membrana.
5.3.1. Cantidad de vapor de agua transportado
En publicaciones anteriores algunos grupos de investigadores estudiaron el transporte de
agua a través de los poros de la membrana por su vaporación [28]. A partir de ecuaciones
empíricas que definen este fenómeno se hizo un seguimiento del flujo y el volumen de agua
transportado a través de la membrana a lo largo de los experimentos del 4 al 7. Las Figura
5.3-5.5 muestran los resultados obtenidos.
Pág. 54 Memoria
Figura 5.3. Flujo de vapor de agua transportado vs. tiempo de contacto de la
membrana
En la Figura 5.3 se puede observar que la tendencia de las diferentes curvas es parecida. Al
principio del experimento el flujo de agua transportado aumenta con rapidez hasta que la
diferencia de presiones en ambos lados de la membrana deja de aumentar y la variación del
flujo tiende a estabilizarse.
Figura 5.4. Diferencia de presiones de vapor entre ambos lados de la membrana vs.
tiempo de contacto de la membrana.
.
0
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
0.007
0.008
0.009
0.01
0 5000 10000 15000 20000 25000
Flu
jo d
e H
2O
tra
nsp
ort
ad
o
[mo
l/ (
m^
2 *
s)]
Tiempo [s]
EXPERIMENTO 4
EXPERIMENTO 5
EXPERIMENTO 6
EXPERIMENTO 7
0
2
4
6
8
10
12
14
0 5000 10000 15000 20000 25000
ΔPv
ap
or
[mm
Hg
]
Tiempo [s]
EXPERIMENTO 4
EXPERIMENTO 5
EXPERIMENTO 6
EXPERIMENTO 7
Valorización de amonio de aguas residuales urbanas como
fertilizante líquido utilizando contactores de membrana de fibra hueca Pág. 55
En la Figura 5.4 se corrobora la dependencia del flujo con la diferencia de presiones de
vapor entre ambos lados del contactor ya que la forma de las gráficas, aunque sean de
diferentes unidades, siguen obteniéndose con la misma tendencia en los diferentes
experimentos realizados.
Figura 5.5. Volumen de vapor de agua transportado vs. tiempo de contacto de la
membrana.
Para conocer la evolución del transporte de vapor de agua a través de la membrana se
efectuó una primera estimación de volumen transportado a lo largo de los experimentos
aplicando el aumento del flujo como se ha visto en la Figura 5.3 y de esta forma obteniendo
una evolución del volumen transportado acumulado.
En la Figura 5.5 se puede observar que la tendencia de las diferentes curvas es parecida. Al
principio de los experimentos el valor del volumen transportado se mantiene bajo hasta que
la diferencia de presiones en la membrana aumenta suficiente para que el valor de flujo
también lo haga y empiece el traspaso de vapor de agua a través de la membrana.
La segunda estimación se realizó teniendo en cuenta la variación del flujo de agua que se
transporta y la integración del tiempo a cada instante, es decir, que para cada intervalo de
tiempo le corresponde un volumen de agua transportado. Esta segunda estimación se
consideró que representa de manera más fidedigna la realidad ya que se tiene en cuenta
que la variación de flujo va cambiando a lo largo de la experimentación.
En la Tabla 8 se recogen los resultados globales obtenidos en los experimentos.
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
0 5000 10000 15000 20000 25000
Vo
lum
en
H2
O t
ran
spo
rta
do
[L]
Tiempo [s]
EXPERIMENTO 4
EXPERIMENTO 5
EXPERIMENTO 6
EXPERIMENTO 7
Pág. 56 Memoria
Tabla 8. Resumen de resultados de cantidad de vapor de agua transportado.
Nº experimento Intervalo de JH2O
[mol/m2s]
Volumen H2O transportado [L]
Ve1 Ve2 Vexp.
Exp. 4 [1,51x 10-4,2,91x 10-3] 1,11 0,78 0,43
Exp. 5 [3,17x 10-4, 4,99x 10-3] 1,90 1,38
Exp. 6 [6,55x 10-4,8,29x 10-3] 3,16 2,17 0,43
Exp. 7 [2,50x 10-4,8,90x 10-3] 3,39 2,58 0,473
Los valores del flujo de agua que se muestran en la Tabla 8, se encuentran en un rango
entre 0,151 a 8,9x 10-3 mol/(m2s). Estos son del mismo orden de magnitud y coinciden con
los publicados anteriormente para fenómenos de transporte de vapor de agua parecidos al
utilizado en este estudio [28].
Por otro lado se observa que los valores obtenidos de volumen transportado por las dos
estimaciones, Ve1 y Ve2, se alejan de los recogidos experimentalmente, Vexp. Para conocer
el motivo de la desviación, se analizó las ecuaciones empíricas utilizadas en el modelo y se
detectó que el coeficiente de permeabilidad de la membrana Km representa una elevada
incertidumbre. Este hecho se debe a las posibles variaciones reales de los diferentes
parámetros que afectan al valor final del coeficiente Km.
5.3.1.1. Análisis de sensibilidad de Km
El análisis de sensibilidad se llevó a cabo variando los diferentes parámetros que afectan al
coeficiente de permeabilidad, manteniendo a los demás constantes, y observando el efecto
que tenía esta variación sobre el valor final estimado de vapor de agua transportado.
El estudio se muestra en las Tabla 9- 12.
Valorización de amonio de aguas residuales urbanas como
fertilizante líquido utilizando contactores de membrana de fibra hueca Pág. 57
Tabla 9. Análisis de sensibilidad de Km: Porosidad.
Parámetro
inicial β0
Parámetro
estimado βe
Km EXP.4 EXP.5 EXP.6 EXP.7
Kmi Km0 %ΔKmi Vi [L] V0 [L] Vi [L] V0 [L] Vi [L] V0 [L] Vi [L] V0 [L]
0 = 40% 1 = 20% 3,44E-07
6,88E-07 50,00% 0,39
0,78 0,69
1,38 1,09
2,17 1,29
2,58
2 = 60% 1,03E-06 -50,00% 1,17 2,07 3,26 3,87
Tabla 10. Análisis de sensibilidad de Km: Radio del poro.
Parámetro
inicial β0
Parámetro
estimado βe
Km EXP.4 EXP.5 EXP.6 EXP.7
Kmi Km0 %ΔKmi Vi [L] V0 [L] Vi [L] V0 [L] Vi [L] V0 [L] Vi [L] V0 [L]
r0 = 2E-08 r1 = 1E-08 m 3,44E-07
6,88E-07 50,00% 0,39
0,78 0,69
1,38 1,09
2,17 1,29
2,58 r2 = 3E-08 m 1,03E-06 -50,00% 1,17 2,07 3,26 3,87
Pág. 58 Memoria
Tabla 11. Análisis de sensibilidad de Km: Espesor de la membrana.
Parámetro
inicial β0
Parámetro
estimado βe
Km EXP.4 EXP.5 EXP.6 EXP.7
Kmi Km0 %ΔKmi Vi [L] V0 [L] Vi [L] V0 [L] Vi [L] V0 [L] Vi [L] V0 [L]
0 = 4E-05 1 = 2E-05 m 1,38E-06
6,88E-07 100,00% 1,56
0,78 2,76
1,38 4,35
2,17 5,16
2,58
2 = 6E-05 m 4,59E-07 -33,33% 0,52 0,92 1,45 1,72
Tabla 12. Análisis de sensibilidad de Km: Temperatura
Parámetro
inicial β0
Parámetro
estimado βe
Km EXP.4 EXP.5 EXP.6 EXP.7
Kmi Km0 %ΔKmi Vi [L] V0 [L] Vi [L] V0 [L] Vi [L] V0 [L] Vi [L] V0 [L]
T0 = 294,15K T1 = 288,15K 7,03E-07
6,88E-07 2,08% 0,79
0,78 1,41
1,38 2,22
2,17 2,63
2,58 T2 = 303,15K 6,68E-07 -2,97% 0,75 1,34 2,11 2,50
Valorización de amonio de aguas residuales urbanas como
fertilizante líquido utilizando contactores de membrana de fibra hueca Pág. 59
Del análisis realizado se extrae que parámetros como la porosidad, el diámetro de los poros
y el espesor de la membrana son influyentes en el valor de Km, y a su vez y de igual
manera, en el volumen estimado. Además, si se consideraran más de una variación de los
diferentes parámetros el efecto sería mayor.
A partir de los resultados del análisis se obtiene un intervalo de variación del coeficiente de
permeabilidad de la membrana de 3,44E-7 a 1,38E-6 y los valores proporcionados por
publicaciones anteriores se encuentran en el intervalo de 2,13E-6 a 1,85E-5. [29][30] Por
tanto, tras variar las condiciones de la membrana el coeficiente de permeabilidad puede
asemejarse a valores de la misma magnitud que los de referencia.
Sin embargo, la solución más adecuada sería realizar un estudio con el objetivo de
encontrar una ecuación empírica que estime el valor del coeficiente de permeabilidad
específico para la membrana con la que se trabaja y poder hacer simulaciones más
precisas.
5.3.2. Efecto de traspaso de disolución del tanque de alimentación
Una vez considerado que puede haber transporte de disolución a través de la membrana se
analizó el efecto en el consumo extra de la dosificación de ácido nítrico concentrado a causa
de este traspaso. Este efecto proviene del regulador de pH que fuerza a dosificar ácido
nítrico cuando el pH aumenta a partir de un valor de 2,2. Si no hubiera traspaso de
disolución, cuando el amoníaco proveniente del tanque de alimentación traspasara la
membrana reaccionaría con el ácido nítrico en exceso. Al reducirse la cantidad de ácido libre
el pH empezaría a subir y la regulación de pH dosificaría ácido concentrado. Pero debido al
efecto del traspaso de disolución de la alimentación este fenómeno se acentúa porque el
ácido libre tiene que neutralizar esta disolución y por tanto se observa un coste extra en el
volumen de ácido concentrado dosificado y en el momento de realizar el balance de masa
por componente podría tener un efecto significativo.
Para ello se calculó la cantidad de hidróxido que aportaba la disolución de alimentación a un
pH de valor 12 y con eso la cantidad de ácido nítrico concentrado para neutralizarla, como
se muestra en la Tabla 13.
Pág. 60 Memoria
Tabla 13. Resumen de resultados de efecto de traspaso de disolución del tanque de
alimentación.
Nº experimento
Volumen
traspasado
[L]
Conc.
ácido para
ajustar pH
[% masa]
Volumen
ácido para
ajustar pH
[L]
Volumen
ácido para
neutralizar
disolución
traspasada
[L]
% de
dosificación
extra
Experimento 4 0,43
16 0,33 7,28x 10-4 0,068
Experimento 5 16 0,74
Experimento 6 0,43 32 0,32 7,28x 10-4 0,22
Experimento 7 0,473 32 0,35 8x 10-4 0,23
En la Tabla 13 se puede observar que el volumen de ácido nítrico para neutralizar el
volumen de disolución traspasada es muy inferior, menor al 1% de dosificación extra, a este
valor y por tanto, se puede considerar que todo el ácido nítrico aportado al tanque extractor
reacciona con el amoníaco que atraviesa la membrana.
Otro efecto provocado por el transporte de disolución de la alimentación al tanque extractor
es el propio aumento de volumen y la consiguiente disminución en la concentración de
nitrato de amonio. Para conocer la importancia de este efecto se hizo una comparación,
(Tabla 14) del porcentaje de nitrato de amonio que se conseguiría si se evitaran estos
problemas de transporte.
Tabla 14. Resumen de resultados del efecto del volumen transportado.
Nº experimento
Conc. NH4NO3 con
volumen traspasado
[% masa]
Conc. NH4NO3 sin
volumen traspasado
[% masa]
Aumento de conc.
NH4NO3 [% masa]
Experimento 4 11,63 14,54 2,91
Experimento 5
Experimento 6 12.38 18,15 5,81
Experimento 7 12,67 18,92 6,29
Valorización de amonio de aguas residuales urbanas como
fertilizante líquido utilizando contactores de membrana de fibra hueca Pág. 61
Como se puede apreciar en la Tabla 14 el volumen aparecido produce un efecto negativo en
la concentración de nitrato de amonio. La importancia de este aspecto es significativa puesto
que como máximo se consiguió concentrar hasta un 12,67% en nitrato de amonio y el efecto
negativo que produce este aumento de volumen es de la mitad de este porcentaje. Si se
consiguiera solucionar el efecto del transporte de disolución al tanque extractor se obtendría
una disolución más concentrada de aproximadamente un 19% mejorando el rendimiento del
proceso para obtener fertilizantes líquidos.
Pág. 62 Memoria
6. Evaluación del impacto ambiental
La evaluación del impacto ambiental derivada de este proyecto va más allá del coste de
recursos y generación de residuos en la parte experimental de laboratorio ya que éste forma
parte de una tecnología mayor para la recuperación de nutrientes en EDARs y hay que
analizar las consecuencias que implicaría la implantación de este sistema contactor de
membrana líquido-líquido en el ámbito de las EDARs.
6.1. Evaluación del impacto ambiental a gran escala
En primer lugar, la producción y el uso de fertilizantes engloban una contaminación tanto
atmosférica como hídrica. Dos de las industrias más contaminantes del aire son las de
fabricación de ácido nítrico y sulfúrico, presentes en la materia primera de la síntesis de
abonos químicos.
Por otro lado, la utilización en cantidades excesivas de fertilizantes provoca que las plantas
no puedan asimilar completamente todos sus componentes y, por tanto, los nutrientes
acaben perdiéndose y contaminando tanto las aguas superficiales como las aguas
subterráneas. Una de las consecuencias más graves de este problema ambiental es el
fenómeno de la eutrofización y de la contaminación de acuíferos por la presencia de
compuestos que representan un peligro para la salud (nitratos o fosfatos).
Sin embargo, un uso adecuado de los fertilizantes aporta grandes beneficios a nivel
humanitario para la producción de alimentos. En esta línea la legislación está aumentando
cada vez más la exigencia en los límites permitidos de ciertas sustancias, tales como el
amonio. Este hecho hace que las estaciones depuradoras de aguas obtengan mayores
cantidades de residuos convirtiendo la recuperación de estos compuestos en una
necesidad. Así, este proyecto plantea el reaprovechamiento de sustancias disueltas en el
agua residual, que de ser vertidas al medio provocarían un efecto ambiental negativo,
revalorizándolas en un recurso útil para la sociedad como son los fertilizantes para el cultivo.
6.2. Generación de residuos a nivel experimental
Los residuos generados en los experimentos de este proyecto son la disolución de
amoníaco de concentración final de los experimentos de entre 98 y 300 ppm, la disolución
concentrada de ácido nítrico de como máximo un 32% en masa y la sal de nitrato de amonio
obtenida en los diferentes experimentos con un 12,66% en masa.
Estas soluciones superan los límites establecidos de concentración por la legislación con lo
Valorización de amonio de aguas residuales urbanas como
fertilizante líquido utilizando contactores de membrana de fibra hueca Pág. 63
que se depositaron en un almacenaje de residuos para su posterior adecuada gestión según
los alineamientos definidos para la gestión de los residuos en el laboratorio del
departamento de Ingeniería Química de la UPC.
Pág. 64 Memoria
7. Estudio de costes del proyecto
El desembolso total del proyecto asciende a 12.742 € y se desglosa en el estudio de los
costes asociados al proyecto. El análisis que a continuación se plantea se centra en tres
enfoques diferentes: los costes de personal, los costes de material y los costes de consumo
generales.
7.1. Costes de personal
En el apartado de costes de personal se consideraron tres bloques a tener en cuenta
contabilizando las horas de trabajo invertidas por parte del autor del proyecto y su
tutorización. En primer lugar, las horas empleadas en la planificación y realización de la
experimentación, en segundo lugar, las horas de trabajo en la elaboración de la memoria
escrita en la que se incluyen la búsqueda de información y la redacción del proyecto, y por
último, las horas dedicadas por los tutores al soporte de este proyecto. En la Tabla 15 se
pueden apreciar como a cada uno de los bloques le corresponde un precio por hora
diferente.
Tabla 15. Resumen de costes de personal.
Concepto Precio horario [€/h] Horas Coste total [€]
Experimentación 23 270 6.210
Elaboración
memoria 19 230 4.370
Tutorización 30 20 600
Coste total personal 11.180 €
7.2. Costes de material
En el apartado de costes de material se consideraron la cantidades utilizadas de reactivos e
inventario de laboratorio que no fueron posible su reutilización. Los elementos amortizables
tales como vasos de precipitados, matraz aforados, tuberías o sistemas de bombeo no se
tuvieron en consideración debido al menospreciable desgaste producido durante la
experimentación. Además, ninguna adquisición derivada de este proyecto fue necesaria. En
la Tabla 16 se resumen los costes de los diferentes materiales así como el coste total del
material utilizado.
Valorización de amonio de aguas residuales urbanas como
fertilizante líquido utilizando contactores de membrana de fibra hueca Pág. 65
Tabla 16. Resumen de costes de material.
Concepto Precio unitario Cantidad Coste total [€]
Amoníaco al 25%
en masa 3,35 €/δ 2 L 6,7
Ácido nítrico al
65% en masa 21,36 €/δ 1 L 21,36
Hidróxido sódico 9,12 €/kg 1 kg 9,12
Acetona 4,65 €/δ 1 L 4,65
Guantes
desechables de
nitrilo - Labbox
0,062 €/guante 100 6,2
Parafilm
10cm x 38m 0,63 €/m 1 m 0,63
Bridas nylon 0,02 €/unidad 10 unidades 0,2
Jeringas estériles
5 mL - Labbox 0,0970 €/unidad 18 unidades 1,746
Contactor de
membrana:
modelo Liquid-
Cell 2.5x8’’ Extra Flow X50HF
1.500€/unidad 1 unidad 1.500
Coste total material 1.551
7.3. Costes de consumo generales
En la Tabla 17 se especifican los consumos aproximados de agua y electricidad en el
laboratorio experimental así como su coste unitario.
Pág. 66 Memoria
Tabla 17. Resumen de costes de consumo generales.
Concepto Precio unitario Consumo Coste total [€]
Consumo de agua 1,59 €/m3 0,5 m3 0,79
Consumo eléctrico 0,138968 €/kWh 70 kWh 9,73
Coste total personal 11 €
Valorización de amonio de aguas residuales urbanas como
fertilizante líquido utilizando contactores de membrana de fibra hueca Pág. 67
Conclusiones
El objetivo del presente trabajo fue la obtención de un fertilizante concentrado en nitrógeno a
partir del uso de la tecnología de los contactores de membrana de fibra hueca como método
de recuperación del amonio presente en disoluciones que simulaban efluentes de
regeneración de los adsorbentes utilizados en las etapas previas de intercambio iónico.
Después de realizar diferentes experimentos se obtuvieron soluciones de nitrato de amonio
de 4,4% de nitrógeno en masa.
De las diferentes determinaciones realizadas en los experimentos se pueden extraer las
siguientes conclusiones:
Los valores obtenidos del coeficiente de transferencia de masa son de 1,7 a 2,2x10-6
m/s y se comprobó que al aumentar el volumen del tanque de alimentación de 5 a
30L no tuvo ningún efecto sobre la velocidad en que el amoníaco atraviesa la
membrana.
Los valores de concentración de nitrógeno del fertilizante obtenido fueron mayores
cuanto mayor fue el volumen del tanque de alimentación. Sin embargo, cuanto
mayor es el este volumen más tiempo hay que invertir para recuperar el amonio.
Los valores en el porcentaje de nitrógeno en la solución de nitrato de amonio son
mayores cuanto mayor sea la concentración del ácido concentrado de la
dosificación.
El transporte de vapor de agua en el sistema es significativo y hace disminuir la
concentración de nitrógeno de la solución de nitrato de amonio hasta un 6% en
masa.
El coste extra de ácido en la dosificación debido a la neutralización de la disolución
transportada de alimentación no supone un valor relevante, aproximadamente un
1%, comparado con los valores recogidos experimentalmente.
El impacto ambiental de la recuperación de nutrientes de aguas residuales comporta un
efecto positivo para el medio ambiente siempre y cuando el uso de estos fertilizantes
producidos se sitúe en la legalidad establecida y se realice un consumo responsable para no
producir daños en la estructura del ecosistema.
Valorización de amonio de aguas residuales urbanas como fertilizante líquido utilizando contactores de membrana de fibra hueca
Agradecimientos
Esta investigación fue apoyada por el proyecto ZERO-DISCHARGE (CTQ2011-26799) y el
proyecto Waste2Product (CTM2014-57302-R) financiados por el Ministerio de Economía y
Competitividad (MINECO) y el Gobierno Catalán (Project Ref. 2014SGR50). El autor
agradece a Membrane-Celgard Co, (Charlotte, EE.UU.) por el suministro de muestras.
Aquí pot anar el títol del vostre PFC Pág. 69
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